人工微納光學(xué)結(jié)構(gòu)是指特征尺寸在微米甚至納米級(jí)別的一類新型光學(xué)器件。相比于傳統(tǒng)的折、反射光學(xué)元件，微納光學(xué)元件在波面轉(zhuǎn)換、偏振控制、光學(xué)抗反射、表面拉曼散射增強(qiáng)等方面具有許多獨(dú)特的光學(xué)性能，并由此產(chǎn)生了一系列新的應(yīng)用，包括：
1. 二元光學(xué)元件在波面轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用
 圖1. (a)二元光學(xué)元件用于光束整形 (b)二元光學(xué)元件用于復(fù)雜曲面干涉檢測(cè)
在激光的廣泛應(yīng)用中,對(duì)激光的波面、光強(qiáng)分布、模式及光斑的形狀與大小等提出了多種特殊的要求。例如：在激光加工和熱處理中，為實(shí)現(xiàn)一次成型的高效率加工，需要使用形狀各異（矩形、環(huán)狀或直線形）的激光光斑；在強(qiáng)激光光學(xué)中，對(duì)激光光斑的要求極其苛刻，要求微小光斑不均勻性小于5%，衍射效率大于90%，且光斑呈無旁瓣的平頂分布。二元光學(xué)元件是基于光波的衍射理論，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并用微納制作工藝，在片基上刻蝕產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)臺(tái)階深度的浮雕結(jié)構(gòu)，行成純位相、同軸再現(xiàn)、具有極高衍射效率的一類衍射光學(xué)元件，可廣泛用于如圖1. (a)所示的激光光束整形。 在光學(xué)系統(tǒng)中采用高設(shè)計(jì)自由度的復(fù)雜曲面，不僅能夠使系統(tǒng)獲得更加優(yōu)異的光學(xué)性能(例如矯正像差、改善像質(zhì)、擴(kuò)大視場(chǎng)、增大作用距離等)，而且還能簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本、減輕重量。復(fù)雜曲面所具有的多變的面型雖然為光學(xué)設(shè)計(jì)提供了更大的自由度，但同時(shí)也給檢測(cè)帶來了極大的困難。對(duì)于面形精度在亞微米量級(jí)的超精密光學(xué)自由曲面，目前還沒有一種方法能快速、準(zhǔn)確地對(duì)其面形做出正確的評(píng)價(jià)。二元光學(xué)元件能夠靈活地產(chǎn)生任意形狀的波面，如圖1. (b)所示，若將其作為補(bǔ)償器放入普通干涉儀，可產(chǎn)生高質(zhì)量的復(fù)雜比較波面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)非球面、自由曲面的高精度干涉檢測(cè)。
2. 亞波長(zhǎng)光柵在偏振成像中的應(yīng)用
光波蘊(yùn)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(duì)滯后。究其原因，主要是因?yàn)樗刑綔y(cè)器，包括人眼，均無法對(duì)光波的偏振態(tài)做出響應(yīng)（偏振盲的）。隨著光信息科學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)光波偏振所攜帶信息的挖掘、利用成為該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，而利用偏光器件準(zhǔn)確探測(cè)入射光波的偏振態(tài)是所有偏振信息利用的基礎(chǔ)。通過研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光柵的周期小于入射光波長(zhǎng)時(shí)，光柵將對(duì)入射光的偏振敏感，而且這種偏振敏感是由光柵周期的亞波長(zhǎng)性決定的，而與所選材料是否具有光學(xué)各向異性無關(guān)。因此，通過在各向同性材料上制作亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，可以將該材料變?yōu)楦飨虍愋裕`活地應(yīng)用于各光學(xué)波段。
 圖2 配備多方向深亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片的偏振成像系統(tǒng)及其偏振圖像
深亞波長(zhǎng)納米金屬光柵的特征尺寸，包括周期、縫寬和柵層高度，遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)，其特點(diǎn)是對(duì)入射光的偏振態(tài)十分敏感。如圖2所示，在紅外熱像儀中，將深亞波長(zhǎng)金屬光柵的線柵方向做成0o、45o、90o、和135o，并按照1：1與微透鏡陣列集成，便可同時(shí)獲得四個(gè)偏振方向的輻射信息，滿足實(shí)時(shí)偏振成像的要求。偏振成像在軍事防偽裝中有著重要的應(yīng)用：圖2下方三幅圖分別是對(duì)地航拍的可見光圖像、紅外圖像和紅外偏振圖像。從圖中可以看出：對(duì)于做了顏色偽裝的卡車，隱蔽在樹蔭下的暗背景中，可見光圖像無法識(shí)別；卡車沒有啟動(dòng)，與周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱差，紅外圖像也很難識(shí)別；以金屬材料為主體的卡車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明顯的差異，因此在紅外偏振圖像中可以清楚地觀察到偽裝在樹蔭下的卡車。 3. 反轉(zhuǎn)偏振光柵在深紫外偏振控制中的應(yīng)用 受到微納制作工藝的限制，適用于深紫外波段的亞波長(zhǎng)偏振光柵因周期過小（<20 nm）而無法被實(shí)際制作出來。考慮到金屬光柵表面的SPPs只能由TM偏振而無法用TE偏振激發(fā)，我們通過反復(fù)優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)并制作了一周期略小于深紫外波長(zhǎng)的金屬鋁柵（圖3. a），TM光會(huì)因SPPs共振被鋁柵表面吸收和反射，而TE光則因?qū)Р９舱癜l(fā)生透射，從而在深紫外波段首次實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)偏振透射。隨后，我們利用ALD在光柵縫中共形填充了襯底介質(zhì)-SiO2（圖3. b），通過增強(qiáng)導(dǎo)波模共振使TE光的平均透過率提高了40%（圖3. c，d）。
 圖3. 深紫外波段反轉(zhuǎn)偏振光柵及其偏振透過率 4. 納米“金字塔”結(jié)構(gòu)在光學(xué)抗反射中的應(yīng)用
 圖4. 黑硅實(shí)物圖及其局部電鏡掃描圖
光學(xué)反射是光波傳播到不同媒質(zhì)界面時(shí)所發(fā)生的一種普遍光學(xué)現(xiàn)象。反射光的強(qiáng)弱由界面兩側(cè)媒質(zhì)折射率的差異大小決定：折射率差別越大，反射越強(qiáng)；反之，越弱。在一些具體應(yīng)用中，包括太陽能電池、紅外與微光夜視系統(tǒng)等，需要降低界面光學(xué)反射（抗反）以提高光能、光信息的利用率。如圖4所示，“金字塔”是一個(gè)典型的椎體結(jié)構(gòu)，若將其尺寸縮小到納米尺度并以面陣形式制作到界面上，光波經(jīng)過該“金字塔”陣列時(shí)，等效為穿過一層折射率漸變的薄膜，在界面的菲涅爾反射將被極大削弱。 5. 基于表面拉曼散射增強(qiáng)(SERS)的單分子探測(cè)
 圖5. 三維納米金屬柱電鏡掃描圖、局部放大圖及利用該納米柱獲得的分子拉曼光譜
光與分子相互作用，會(huì)發(fā)生透射、反射、散射等物理過程。散射光中的拉曼散射信號(hào)攜帶了豐富的分子組分、結(jié)構(gòu)等信息，被廣泛應(yīng)用于分子探測(cè)。相比于透、反射和瑞利散射，分子的拉曼散射信號(hào)十分微弱，因此如何增強(qiáng)拉曼信號(hào)一直是SERS領(lǐng)域的研究主線。為了有效利用入射光能量，可采用如圖5所示的三維金屬納米柱結(jié)構(gòu)：入射光以駐波的形式整齊地局限在納米柱縫間，金屬納米縫的局限產(chǎn)生了強(qiáng)烈的電場(chǎng)增強(qiáng)，當(dāng)單分子經(jīng)過這些強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域時(shí)，通過捕捉增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子的探測(cè)。 6. 光柵單元陣列在勻光和LED及準(zhǔn)分子激光整形的應(yīng)用
 圖6. SEM觀察到的光柵單元陣列及其光線追跡成像
微光學(xué)照明系統(tǒng)中會(huì)要求對(duì)照明光束的強(qiáng)度分布進(jìn)行處理，包括在信息顯示，測(cè)量系統(tǒng)，室內(nèi)照明，自動(dòng)化，軍事，光刻等領(lǐng)域中，常常會(huì)有針對(duì)LED和準(zhǔn)分子激光勻光和整形的需求。光柵單元陣列如圖6，由一系列矩形單元組成，每個(gè)單元都起到一個(gè)線性相位的作用，將光束偏折到目標(biāo)平面的特定位置上，而偏折方向的控制則由光柵的周期及刻線角度控制，分辨率則有單元的尺寸決定，這種元件通過設(shè)計(jì)可產(chǎn)生任意2D圖案，并且可以針對(duì)復(fù)色光或白光來設(shè)計(jì)出適合微光學(xué)照明系統(tǒng)的光柵單元陣列。 7. 傾斜光柵(Slanted grating)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented reality, AR)設(shè)備中的應(yīng)用 傾斜光柵作為優(yōu)質(zhì)光耦合器用于AR頭盔，在保證高耦合效率的前提下，能有效減小頭盔體積。如圖7所示，微軟公司推出的Hololens AR頭盔即是采用傾斜光柵作為光學(xué)耦合器：由微顯示器發(fā)出的信號(hào)光，首先經(jīng)傾斜光柵耦合進(jìn)入平板波導(dǎo)，信號(hào)光在波導(dǎo)中以全反射的形式向兩端傳播，再經(jīng)兩端的傾斜光柵耦合出波導(dǎo)，由人眼接收。制作具有大深寬比的傾斜光柵需要采用電子束曝光、傾斜干法刻蝕等工藝手段。
部分微納制作設(shè)備：
1. 真空鍍膜
多模塊（磁控濺射、電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)）鍍膜系統(tǒng)，Kurt J. Lesker Lab 18；實(shí)現(xiàn)各種金屬和介質(zhì)的納米級(jí)鍍膜。
2. 電子束曝光
電子束曝光系統(tǒng)，Vistec Electron Beam；實(shí)現(xiàn)10 nm線寬的掩模制作。
3. 反應(yīng)離子刻蝕
反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)，Oxford Plasmalab；將掩模圖案向金屬或介質(zhì)轉(zhuǎn)移。
4. 原子層鍍
原子層鍍系統(tǒng)，Beneq TFS ALD；以原子層厚度實(shí)現(xiàn)高精度共形鍍膜。
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