人工微纳光学结构的设计、制作及应用

人工微纳光学结构是指特征尺寸在微米甚至纳米级别的一类新型光学器件。相比于传统的折、反射光学元件，微纳光学元件在波面转换、偏振控制、光学抗反射、表面拉曼散射增强等方面具有许多独特的光学性能，并由此产生了一系列新的应用，包括： 

图1. (a)二元光学元件用于光束整形                           (b)二元光学元件用于复杂曲面干涉检测 

在激光的广泛应用中,对激光的波面、光强分布、模式及光斑的形状与大小等提出了多种特殊的要求。例如：在激光加工和热处理中，为实现一次成型的高效率加工，需要使用形状各异（矩形、环状或直线形）的激光光斑；在强激光光学中，对激光光斑的要求极其苛刻，要求微小光斑不均匀性小于5%，衍射效率大于90%，且光斑呈无旁瓣的平顶分布。二元光学元件是基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用微纳制作工艺，在片基上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，行成纯位相、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件，可广泛用于如图1. (a)所示的激光光束整形。
 

在光学系统中采用高设计自由度的复杂曲面，不仅能够使系统获得更加优异的光学性能(例如矫正像差、改善像质、扩大视场、增大作用距离等)，而且还能简化系统结构、降低成本、减轻重量。复杂曲面所具有的多变的面型虽然为光学设计提供了更大的自由度，但同时也给检测带来了极大的困难。对于面形精度在亚微米量级的超精密光学自由曲面，目前还没有一种方法能快速、准确地对其面形做出正确的评价。二元光学元件能够灵活地产生任意形状的波面，如图1. (b)所示，若将其作为补偿器放入普通干涉仪，可产生高质量的复杂比较波面，从而实现对光学非球面、自由曲面的高精度干涉检测。
 

2. 亚波长光栅在偏振成像中的应用
光波蕴含的信息十分丰富，包括振幅、频率、相位及偏振。相比于前三类信息，偏振信息的利用相对滞后。究其原因，主要是因为所有探测器，包括人眼，均无法对光波的偏振态做出响应（偏振盲的）。随着光信息科学的不断发展，对光波偏振所携带信息的挖掘、利用成为该领域的一个研究热点，而利用偏光器件准确探测入射光波的偏振态是所有偏振信息利用的基础。通过研究发现：当光栅的周期小于入射光波长时，光栅将对入射光的偏振敏感，而且这种偏振敏感是由光栅周期的亚波长性决定的，而与所选材料是否具有光学各向异性无关。因此，通过在各向同性材料上制作亚波长结构，可以将该材料变为各向异性，灵活地应用于各光学波段。

图2 配备多方向深亚波长金属光栅偏振片的偏振成像系统及其偏振图像

 深亚波长纳米金属光栅的特征尺寸，包括周期、缝宽和栅层高度，远小于入射光波长，其特点是对入射光的偏振态十分敏感。如图2所示，在红外热像仪中，将深亚波长金属光栅的线栅方向做成0o、45o、90o、和135o，并按照1：1与微透镜阵列集成，便可同时获得四个偏振方向的辐射信息，满足实时偏振成像的要求。偏振成像在军事防伪装中有着重要的应用：图2下方三幅图分别是对地航拍的可见光图像、红外图像和红外偏振图像。从图中可以看出：对于做了颜色伪装的卡车，隐蔽在树荫下的暗背景中，可见光图像无法识别；卡车没有启动，与周围环境不产生热差，红外图像也很难识别；以金属材料为主体的卡车反射或辐射光波的偏振度与地物背景反射或辐射光波的偏振度具有明显的差异，因此在红外偏振图像中可以清楚地观察到伪装在树荫下的卡车。

3. 反转偏振光栅在深紫外偏振控制中的应用
受到微纳制作工艺的限制，适用于深紫外波段的亚波长偏振光栅因周期过小（<20 nm）而无法被实际制作出来。考虑到金属光栅表面的SPPs只能由TM偏振而无法用TE偏振激发，我们通过反复优化光栅结构参数，设计并制作了一周期略小于深紫外波长的金属铝栅（图3. a），TM光会因SPPs共振被铝栅表面吸收和反射，而TE光则因导波模共振发生透射，从而在深紫外波段首次实现反转偏振透射。随后，我们利用ALD在光栅缝中共形填充了衬底介质-SiO2（图3. b），通过增强导波模共振使TE光的平均透过率提高了40%（图3. c，d）。

图3. 深紫外波段反转偏振光栅及其偏振透过率

4. 纳米“金字塔”结构在光学抗反射中的应用

图4. 黑硅实物图及其局部电镜扫描图

光学反射是光波传播到不同媒质界面时所发生的一种普遍光学现象。反射光的强弱由界面两侧媒质折射率的差异大小决定：折射率差别越大，反射越强；反之，越弱。在一些具体应用中，包括太阳能电池、红外与微光夜视系统等，需要降低界面光学反射（抗反）以提高光能、光信息的利用率。如图4所示，“金字塔”是一个典型的椎体结构，若将其尺寸缩小到纳米尺度并以面阵形式制作到界面上，光波经过该“金字塔”阵列时，等效为穿过一层折射率渐变的薄膜，在界面的菲涅尔反射将被极大削弱。
 

5. 基于表面拉曼散射增强(SERS)的单分子探测

图5. 三维纳米金属柱电镜扫描图、局部放大图及利用该纳米柱获得的分子拉曼光谱

光与分子相互作用，会发生透射、反射、散射等物理过程。散射光中的拉曼散射信号携带了丰富的分子组分、结构等信息，被广泛应用于分子探测。相比于透、反射和瑞利散射，分子的拉曼散射信号十分微弱，因此如何增强拉曼信号一直是SERS领域的研究主线。为了有效利用入射光能量，可采用如图5所示的三维金属纳米柱结构：入射光以驻波的形式整齐地局限在纳米柱缝间，金属纳米缝的局限产生了强烈的电场增强，当单分子经过这些强场区域时，通过捕捉增强拉曼散射信号，我们可以实现对单分子的探测。
 

6. 光栅单元阵列在匀光和LED及准分子激光整形的应用

图6. SEM观察到的光栅单元阵列及其光线追迹成像

 微光学照明系统中会要求对照明光束的强度分布进行处理，包括在信息显示，测量系统，室内照明，自动化，军事，光刻等领域中，常常会有针对LED和准分子激光匀光和整形的需求。光栅单元阵列如图6，由一系列矩形单元组成，每个单元都起到一个线性相位的作用，将光束偏折到目标平面的特定位置上，而偏折方向的控制则由光栅的周期及刻线角度控制，分辨率则有单元的尺寸决定，这种元件通过设计可产生任意2D图案，并且可以针对复色光或白光来设计出适合微光学照明系统的光栅单元阵列。
 

7. 倾斜光栅(Slanted grating)在增强现实(Augmented reality, AR)设备中的应用

倾斜光栅作为优质光耦合器用于AR头盔，在保证高耦合效率的前提下，能有效减小头盔体积。如图7所示，微软公司推出的Hololens AR头盔即是采用倾斜光栅作为光学耦合器：由微显示器发出的信号光，首先经倾斜光栅耦合进入平板波导，信号光在波导中以全反射的形式向两端传播，再经两端的倾斜光栅耦合出波导，由人眼接收。制作具有大深宽比的倾斜光栅需要采用电子束曝光、倾斜干法刻蚀等工艺手段。

图7.倾斜光栅在AR头盔Hololens中的应用

部分微纳制作设备：

1. 真空镀膜

多模块（磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发）镀膜系统，Kurt J. Lesker Lab 18；实现各种金属和介质的纳米级镀膜。

2. 电子束曝光

电子束曝光系统，Vistec Electron Beam；实现10 nm线宽的掩模制作。

3. 反应离子刻蚀

反应离子刻蚀系统，Oxford Plasmalab；将掩模图案向金属或介质转移。

4. 原子层镀

原子层镀系统，Beneq TFS ALD；以原子层厚度实现高精度共形镀膜。