01

導(dǎo)讀

幾十年來(lái)，為了獲得更為精密的光柵器件，科學(xué)家們一直在努力改進(jìn)衍射光柵的設(shè)計(jì)方法和加工方式，使其能夠適合當(dāng)今更為苛刻的科學(xué)與工業(yè)應(yīng)用。

2020年6月25日,Nature期刊以“Optical Fourier surfaces”為題在線報(bào)道了一種全新衍射光柵的制作和加工方法。通過(guò)這種熱掃描探針直寫的方法可以制備出更高效、更精確的衍射光柵，光柵表面的均方根誤差只有1.3個(gè)納米。

這項(xiàng)工作由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETHz）-機(jī)械工程系教授-David J. Norris領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，聯(lián)合荷蘭烏得勒支大學(xué)（UU）-德拜材料研究所和海德堡儀器納米技術(shù)有限公司共同完成。

封面圖：熱掃描探針刻寫衍射光柵。紅色曲線表示的是光柵表面結(jié)構(gòu)的輪廓。

圖片來(lái)源：ETHz

02

背景&創(chuàng)新

光脈沖——在這個(gè)特殊時(shí)期，互聯(lián)網(wǎng)光通信技術(shù)再一次被證明對(duì)我們的生活變得越來(lái)越重要。正是由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，才能使我們?cè)谶@個(gè)特殊時(shí)期能夠正常的辦公以及與親朋好友交談。而互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根基就在于光調(diào)制技術(shù)，信息流通過(guò)無(wú)數(shù)的光脈沖在利用光纖可將這些數(shù)據(jù)傳送到世界各地。

光調(diào)制——為了能夠更為精確的操縱和控制光信號(hào)，可以利用很多方法。而這其中最古老和最重要的一種技術(shù)手段就是利用衍射光柵，它可以使不同顏色的光在確定的精確方向上偏轉(zhuǎn)。而光柵和全息器件，就是利用表面形貌特征通過(guò)衍射的方式來(lái)進(jìn)行光信號(hào)的調(diào)制。要精確調(diào)制光信號(hào)，就需要更優(yōu)化的關(guān)鍵器件。

圖1. 衍射光柵與光柵對(duì)光信號(hào)的調(diào)制 （a、衍射光柵表面；b、表面輪廓曲線；c、光信號(hào)的調(diào)制實(shí)驗(yàn)和仿真圖） 圖片來(lái)源：Nature vol 582 Fig.1

衍射光柵——作為一種具有納米級(jí)周期性（或準(zhǔn)周期性）微結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，光柵除了在各類光譜儀器中擔(dān)當(dāng)“芯片”角色外，還在天文學(xué)、激光器、光通訊、信息存儲(chǔ)、新能源等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。而高端光柵器件是指具有高光譜分辨率、高衍射效率、高刻線密度、低雜散光強(qiáng)度或者是具有特殊面形分布的一類光學(xué)器件，如圖1.所示。而這些指標(biāo)都取決于光柵的表面微結(jié)構(gòu)。

光柵表面微結(jié)構(gòu)——雖然，衍射光柵的發(fā)展具有很長(zhǎng)的一段歷史。但是，在各種變體功能化的光柵和全息器件中，能夠解決高的衍射效率、高刻線密度以及連續(xù)面形這幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的卻很少，而問(wèn)題的關(guān)鍵就在于光柵表面微結(jié)構(gòu)的制備。

目前，光柵微結(jié)構(gòu)的制作大多是借助微電子加工工藝的方法利用刻蝕進(jìn)行凹槽加工，而這恰恰也是光柵或者是衍射元件調(diào)制效率遲遲提不上去的主要原因。但是，物理學(xué)原理告訴我們，要想提高衍射效率和調(diào)制精度，就必須去打破這種“朵頤”臺(tái)階化的近似。這時(shí)，我們就需要新的加工手段、設(shè)備和工藝方法。

熱掃描探針直寫技術(shù)——由于現(xiàn)有的光刻制造技術(shù)，其只能達(dá)到一個(gè)很小的刻蝕深度，所以對(duì)于復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)的制備上，限制了其在數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)上的直接實(shí)現(xiàn)；例如：灰度光刻技術(shù)，其還是沒辦法提供足夠高的空間分辨率以及制作任意的光學(xué)面形。那么，有沒有一種更好的加工方法了？

有這樣一個(gè)逆向思維的方式。眾所周知，掃描隧道顯微鏡（STM）是20世紀(jì)80年代最偉大的發(fā)明之一。它的主要作用是利用表面探針來(lái)進(jìn)行高分辨率材料表面結(jié)構(gòu)掃描，而這種掃描的精度可以達(dá)到單個(gè)原子的精度。所以，我們反過(guò)來(lái)想，是否可以利用這種方法來(lái)加工修飾材料表面呢？是的，這是可以的，30年前提出的掃描探針直寫技術(shù)（SPL）就是這樣來(lái)的。但是，它同樣面臨著一些問(wèn)題，例如刻蝕速度慢、功能單一等。而近幾年發(fā)展起來(lái)的熱掃描探針刻寫技術(shù)（t-SPL）,其在速度和分辨率上均可以與電子束刻蝕（EBL）相媲美。

圖2. 傅里葉光學(xué)表面的設(shè)計(jì)、加工與成品圖 （a:利用傅里葉變換的方法設(shè)計(jì)表面；b：利用熱掃描探針光刻制作；c：制作的銀光柵表面） 圖片來(lái)源：Nature vol 582 Extended Data Fig.1

作者在本文中利用熱掃描探針直寫加工技術(shù)，結(jié)合傅里葉光學(xué)衍射表面結(jié)構(gòu)，可以近乎完美地制作出任意想要的光學(xué)表面結(jié)構(gòu)。如圖2.所示，通過(guò)將掃描探針加熱到接近1000攝氏度，然后將其壓入聚合物表面，對(duì)表面進(jìn)行分解和蒸發(fā)，使得表面能夠精確的被雕刻，其精度可以達(dá)到幾個(gè)納米。利用熱掃描探針方法直接進(jìn)行加工的衍射光柵表面，可以實(shí)現(xiàn)精確的空間頻率響應(yīng)、可以實(shí)現(xiàn)以一個(gè)角度入射來(lái)控制多個(gè)波長(zhǎng)、可以實(shí)現(xiàn)總調(diào)制效率達(dá)到97%以上。

03

結(jié)論與展望

這種近乎完美的光柵可為調(diào)制光信號(hào)提供新的可能，其在很多方面都將有應(yīng)用。

例如，這項(xiàng)新技術(shù)可以在集成電路中被用來(lái)做微小的衍射光柵，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)光信號(hào)進(jìn)行更有效地發(fā)送、接收和路由。

其次，這種加工方法也可以制作片上微納激光器以及相機(jī)鏡片和全息器件等。在未來(lái)的生物傳感設(shè)備、智能手機(jī)和自動(dòng)駕駛等光學(xué)技術(shù)上將具有廣泛的應(yīng)用。