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人(rén)工微納光學結構是指特征尺寸在微米甚至納米級别的一類新型光學器(qì)件。相比于傳統的折、反射光學元件，微納光學元件在波面轉換、偏振控制(zhì)、光學抗反射、表面拉曼散射增強等方面具有(yǒu)許多(duō)獨特的光學性能，并由此産生(shēng)了一系列新的應用，包括：
 

1.  二元光學元件在波面轉換中的應用

 

圖1. (a)二元光學元件用于光束整形     (b)二元光學元件用于複雜曲面幹涉檢測

 

在激光的廣泛應用中,對激光的波面、光強分布、模式及光斑的形狀與大(dà)小(xiǎo)等提出了多(duō)種特殊的要求。例如：在激光加工和(hé)熱處理(lǐ)中，為(wèi)實現一次成型的高(gāo)效率加工，需要使用形狀各異（矩形、環狀或直線形）的激光光斑；在強激光光學中，對激光光斑的要求極其苛刻，要求微小(xiǎo)光斑不均勻性小(xiǎo)于5%，衍射效率大(dà)于90%，且光斑呈無旁瓣的平頂分布。二元光學元件是基于光波的衍射理(lǐ)論，利用計(jì)算(suàn)機輔助設計(jì)，并用微納制(zhì)作(zuò)工藝，在片基上(shàng)刻蝕産生(shēng)兩個(gè)或多(duō)個(gè)台階深度的浮雕結構，行(xíng)成純位相、同軸再現、具有(yǒu)極高(gāo)衍射效率的一類衍射光學元件，可(kě)廣泛用于如圖1. (a)所示的激光光束整形。
 

在光學系統中采用高(gāo)設計(jì)自由度的複雜曲面，不僅能夠使系統獲得(de)更加優異的光學性能(例如矯正像差、改善像質、擴大(dà)視(shì)場(chǎng)、增大(dà)作(zuò)用距離等)，而且還(hái)能簡化系統結構、降低(dī)成本、減輕重量。複雜曲面所具有(yǒu)的多(duō)變的面型雖然為(wèi)光學設計(jì)提供了更大(dà)的自由度，但(dàn)同時(shí)也給檢測帶來(lái)了極大(dà)的困難。對于面形精度在亞微米量級的超精密光學自由曲面，目前還(hái)沒有(yǒu)一種方法能快速、準确地對其面形做(zuò)出正确的評價。二元光學元件能夠靈活地産生(shēng)任意形狀的波面，如圖1. (b)所示，若将其作(zuò)為(wèi)補償器(qì)放入普通(tōng)幹涉儀，可(kě)産生(shēng)高(gāo)質量的複雜比較波面，從而實現對光學非球面、自由曲面的高(gāo)精度幹涉檢測。
 

2. 亞波長光栅在偏振成像中的應用
 

光波蘊含的信息十分豐富，包括振幅、頻率、相位及偏振。相比于前三類信息，偏振信息的利用相對滞後。究其原因，主要是因為(wèi)所有(yǒu)探測器(qì)，包括人(rén)眼，均無法對光波的偏振态做(zuò)出響應（偏振盲的）。随着光信息科學的不斷發展，對光波偏振所攜帶信息的挖掘、利用成為(wèi)該領域的一個(gè)研究熱點，而利用偏光器(qì)件準确探測入射光波的偏振态是所有(yǒu)偏振信息利用的基礎。通(tōng)過研究發現：當光栅的周期小(xiǎo)于入射光波長時(shí)，光栅将對入射光的偏振敏感，而且這種偏振敏感是由光栅周期的亞波長性決定的，而與所選材料是否具有(yǒu)光學各向異性無關。因此，通(tōng)過在各向同性材料上(shàng)制(zhì)作(zuò)亞波長結構，可(kě)以将該材料變為(wèi)各向異性，靈活地應用于各光學波段。

 

圖2 配備多(duō)方向深亞波長金屬光栅偏振片的偏振成像系統及其偏振圖像

 

深亞波長納米金屬光栅的特征尺寸，包括周期、縫寬和(hé)栅層高(gāo)度，遠小(xiǎo)于入射光波長，其特點是對入射光的偏振态十分敏感。如圖2所示，在紅外熱像儀中，将深亞波長金屬光栅的線栅方向做(zuò)成0o、45o、90o、和(hé)135o，并按照1：1與微透鏡陣列集成，便可(kě)同時(shí)獲得(de)四個(gè)偏振方向的輻射信息，滿足實時(shí)偏振成像的要求。偏振成像在軍事防僞裝中有(yǒu)着重要的應用：圖2下方三幅圖分别是對地航拍的可(kě)見光圖像、紅外圖像和(hé)紅外偏振圖像。從圖中可(kě)以看出：對于做(zuò)了顔色僞裝的卡車(chē)，隐蔽在樹(shù)蔭下的暗背景中，可(kě)見光圖像無法識别；卡車(chē)沒有(yǒu)啓動，與周圍環境不産生(shēng)熱差，紅外圖像也很(hěn)難識别；以金屬材料為(wèi)主體(tǐ)的卡車(chē)反射或輻射光波的偏振度與地物背景反射或輻射光波的偏振度具有(yǒu)明(míng)顯的差異，因此在紅外偏振圖像中可(kě)以清楚地觀察到僞裝在樹(shù)蔭下的卡車(chē)。

3. 反轉偏振光栅在深紫外偏振控制(zhì)中的應用
 

受到微納制(zhì)作(zuò)工藝的限制(zhì)，适用于深紫外波段的亞波長偏振光栅因周期過小(xiǎo)（<20 nm）而無法被實際制(zhì)作(zuò)出來(lái)。考慮到金屬光栅表面的SPPs隻能由TM偏振而無法用TE偏振激發，我們通(tōng)過反複優化光栅結構參數(shù)，設計(jì)并制(zhì)作(zuò)了一周期略小(xiǎo)于深紫外波長的金屬鋁栅（圖3. a），TM光會(huì)因SPPs共振被鋁栅表面吸收和(hé)反射，而TE光則因導波模共振發生(shēng)透射，從而在深紫外波段首次實現反轉偏振透射。随後，我們利用ALD在光栅縫中共形填充了襯底介質-SiO2（圖3. b），通(tōng)過增強導波模共振使TE光的平均透過率提高(gāo)了40%（圖3. c，d）。

 

圖3. 深紫外波段反轉偏振光栅及其偏振透過率

 

 

圖4. 黑(hēi)矽實物圖及其局部電(diàn)鏡掃描圖

 

光學反射是光波傳播到不同媒質界面時(shí)所發生(shēng)的一種普遍光學現象。反射光的強弱由界面兩側媒質折射率的差異大(dà)小(xiǎo)決定：折射率差别越大(dà)，反射越強；反之，越弱。在一些(xiē)具體(tǐ)應用中，包括太陽能電(diàn)池、紅外與微光夜視(shì)系統等，需要降低(dī)界面光學反射（抗反）以提高(gāo)光能、光信息的利用率。如圖4所示，“金字塔”是一個(gè)典型的椎體(tǐ)結構，若将其尺寸縮小(xiǎo)到納米尺度并以面陣形式制(zhì)作(zuò)到界面上(shàng)，光波經過該“金字塔”陣列時(shí)，等效為(wèi)穿過一層折射率漸變的薄膜，在界面的菲涅爾反射将被極大(dà)削弱。
 

 

圖5. 三維納米金屬柱電(diàn)鏡掃描圖、局部放大(dà)圖及利用該納米柱獲得(de)的分子拉曼光譜

 

光與分子相互作(zuò)用，會(huì)發生(shēng)透射、反射、散射等物理(lǐ)過程。散射光中的拉曼散射信号攜帶了豐富的分子組分、結構等信息，被廣泛應用于分子探測。相比于透、反射和(hé)瑞利散射，分子的拉曼散射信号十分微弱，因此如何增強拉曼信号一直是SERS領域的研究主線。為(wèi)了有(yǒu)效利用入射光能量，可(kě)采用如圖5所示的三維金屬納米柱結構：入射光以駐波的形式整齊地局限在納米柱縫間(jiān)，金屬納米縫的局限産生(shēng)了強烈的電(diàn)場(chǎng)增強，當單分子經過這些(xiē)強場(chǎng)區(qū)域時(shí)，通(tōng)過捕捉增強拉曼散射信号，我們可(kě)以實現對單分子的探測。
 

圖6. SEM觀察到的光栅單元陣列及其光線追迹成像

 

微光學照明(míng)系統中會(huì)要求對照明(míng)光束的強度分布進行(xíng)處理(lǐ)，包括在信息顯示，測量系統，室內(nèi)照明(míng)，自動化，軍事，光刻等領域中，常常會(huì)有(yǒu)針對LED和(hé)準分子激光勻光和(hé)整形的需求。光栅單元陣列如圖6，由一系列矩形單元組成，每個(gè)單元都起到一個(gè)線性相位的作(zuò)用，将光束偏折到目标平面的特定位置上(shàng)，而偏折方向的控制(zhì)則由光栅的周期及刻線角度控制(zhì)，分辨率則有(yǒu)單元的尺寸決定，這種元件通(tōng)過設計(jì)可(kě)産生(shēng)任意2D圖案，并且可(kě)以針對複色光或白光來(lái)設計(jì)出适合微光學照明(míng)系統的光栅單元陣列。
 

7. 傾斜光栅(Slanted grating)在增強現實(Augmented reality, AR)設備中的應用

傾斜光栅作(zuò)為(wèi)優質光耦合器(qì)用于AR頭盔，在保證高(gāo)耦合效率的前提下，能有(yǒu)效減小(xiǎo)頭盔體(tǐ)積。如圖7所示，微軟公司推出的Hololens AR頭盔即是采用傾斜光栅作(zuò)為(wèi)光學耦合器(qì)：由微顯示器(qì)發出的信号光，首先經傾斜光栅耦合進入平闆波導，信号光在波導中以全反射的形式向兩端傳播，再經兩端的傾斜光栅耦合出波導，由人(rén)眼接收。制(zhì)作(zuò)具有(yǒu)大(dà)深寬比的傾斜光栅需要采用電(diàn)子束曝光、傾斜幹法刻蝕等工藝手段。

圖7.傾斜光栅在AR頭盔Hololens中的應用

部分微納制(zhì)作(zuò)設備：
 

1. 真空(kōng)鍍膜

多(duō)模塊（磁控濺射、電(diàn)子束蒸發、熱蒸發）鍍膜系統，Kurt J. Lesker Lab 18；實現各種金屬和(hé)介質的納米級鍍膜。
 

2. 電(diàn)子束曝光

電(diàn)子束曝光系統，Vistec Electron Beam；實現10 nm線寬的掩模制(zhì)作(zuò)。
 

3. 反應離子刻蝕

反應離子刻蝕系統，Oxford Plasmalab；将掩模圖案向金屬或介質轉移。
 

4. 原子層鍍

原子層鍍系統，Beneq TFS ALD；以原子層厚度實現高(gāo)精度共形鍍膜。