01

導讀

幾十年來，為了獲得更為精密的光柵器件，科學家們一直在努力改進衍射光柵的設計方法和加工方式，使其能夠適合當今更為苛刻的科學與工業(yè)應用。

2020年6月25日,Nature期刊以“Optical Fourier surfaces”為題在線報道了一種全新衍射光柵的制作和加工方法。通過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個納米。

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

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。

圖片來源：ETHz

02

背景&創(chuàng)新

光脈沖——在這個特殊時期，互聯(lián)網(wǎng)光通信技術再一次被證明對我們的生活變得越來越重要。正是由于互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，才能使我們在這個特殊時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，信息流通過無數(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，可以利用很多方法。而這其中最古老和最重要的一種技術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衍射的方式來進行光信號的調(diào)制。要精確調(diào)制光信號，就需要更優(yōu)化的關鍵器件。

圖1. 衍射光柵與光柵對光信號的調(diào)制 （a、衍射光柵表面；b、表面輪廓曲線；c、光信號的調(diào)制實驗和仿真圖） 圖片來源：Nature vol 582 Fig.1

衍射光柵——作為一種具有納米級周期性（或準周期性）微結(jié)構(gòu)的光學元件，光柵除了在各類光譜儀器中擔當“芯片”角色外，還在天文學、激光器、光通訊、信息存儲、新能源等諸多領域中發(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、低雜散光強度或者是具有特殊面形分布的一類光學器件，如圖1.所示。而這些指標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)面形這幾個關鍵問題的卻很少，而問題的關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”臺階化的近似。這時，我們就需要新的加工手段、設備和工藝方法。

熱掃描探針直寫技術——由于現(xiàn)有的光刻制造技術，其只能達到一個很小的刻蝕深度，所以對于復雜表面結(jié)構(gòu)的制備上，限制了其在數(shù)學設計上的直接實現(xiàn)；例如：灰度光刻技術，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面形。那么，有沒有一種更好的加工方法了？

有這樣一個逆向思維的方式。眾所周知，掃描隧道顯微鏡（STM）是20世紀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進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到單個原子的精度。所以，我們反過來想，是否可以利用這種方法來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（SPL）就是這樣來的。但是，它同樣面臨著一些問題，例如刻蝕速度慢、功能單一等。而近幾年發(fā)展起來的熱掃描探針刻寫技術（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. 傅里葉光學表面的設計、加工與成品圖 （a:利用傅里葉變換的方法設計表面；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，結(jié)合傅里葉光學衍射表面結(jié)構(gòu)，可以近乎完美地制作出任意想要的光學表面結(jié)構(gòu)。如圖2.所示，通過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，對表面進行分解和蒸發(fā)，使得表面能夠精確的被雕刻，其精度可以達到幾個納米。利用熱掃描探針方法直接進行加工的衍射光柵表面，可以實現(xiàn)精確的空間頻率響應、可以實現(xiàn)以一個角度入射來控制多個波長、可以實現(xiàn)總調(diào)制效率達到97%以上。

03

結(jié)論與展望

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

例如，這項新技術可以在集成電路中被用來做微小的衍射光柵，從而實現(xiàn)對互聯(lián)網(wǎng)光信號進行更有效地發(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鏡片和全息器件等。在未來的生物傳感設備、智能手機和自動駕駛等光學技術上將具有廣泛的應用。