研究背景 

    光柵和全息圖是通過(guò)微納結(jié)構(gòu)表面的衍射來(lái)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的。盡管這種作用方式歷史悠久，但人們直在相關(guān)域不斷的探索，以發(fā)展功能更為強(qiáng)大的應(yīng)用。進(jìn)步的發(fā)展可以基于傅立葉光學(xué)來(lái)設(shè)計(jì)、構(gòu)筑傅里葉面的微納結(jié)構(gòu)，以生成所需的衍射輸出信號(hào)。在這種策略中，需要能夠準(zhǔn)確地調(diào)制波前，理想的樣品表面輪廓應(yīng)該包含正弦波的準(zhǔn)確總和，每個(gè)正弦波具有明確的幅度，頻率和相位。但是由于技術(shù)的局限，通常只能制備有幾個(gè)深度別輪廓，無(wú)法獲得復(fù)雜的連續(xù)“波浪”表面，從而限制了使用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的衍射光學(xué)效果。

研究亮點(diǎn)

    針對(duì)以上問(wèn)題，蘇黎世聯(lián)邦理工的Nolan Lassaline博士等人，提出了種簡(jiǎn)單而有效的方法來(lái)解決設(shè)計(jì)和制備間的差距，制備了任意數(shù)量的正弦波組成的光學(xué)表面。Nolan Lassaline等人使用掃描熱探針t-SPL技術(shù)與模板法相結(jié)合的策略，制備了周期性和非周期性的光學(xué)表面結(jié)構(gòu)。多元線性光柵允許用傅里葉光譜工程準(zhǔn)確調(diào)控光信號(hào)。同時(shí)，Nolan Lassaline等人克服了前光子學(xué)實(shí)驗(yàn)的限制，制備了可以在同入射角同時(shí)耦合紅色，綠色和藍(lán)色光的超薄光柵。更廣泛地，Nolan Lassaline等人還分析設(shè)計(jì)并且準(zhǔn)確復(fù)制了復(fù)雜的二維莫爾條紋，準(zhǔn)晶體和全息圖結(jié)構(gòu)，展示了多種以前無(wú)法制備的衍射表面。Nolan Lassaline等人制備任意3D表面的方法，將為光學(xué)設(shè)備（生物傳感器，激光器，超表面和調(diào)制器）以及光子學(xué)的新興區(qū)域（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換光學(xué)器件和半導(dǎo)體谷電子學(xué)）帶來(lái)新的機(jī)遇。

圖1 維調(diào)制傅里葉曲面實(shí)際效果圖

圖2 二維調(diào)制傅里葉曲面實(shí)際效果圖

圖3 周期性及準(zhǔn)周期性傅里葉表面圖案

圖4 傅里葉表面的應(yīng)用

高精度三維刻寫技術(shù)之于本工作的重要意義

    蘇黎世聯(lián)邦理工的Nolan Lassaline博士使用NanoFrazor的高精度3D功能制備了些*的3D表面傅里葉光柵，對(duì)光波進(jìn)行調(diào)控，有選擇地透射或者反射選定波長(zhǎng)的光信號(hào)，使得光柵只和選定波長(zhǎng)的光信號(hào)相互作用。這樣就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型計(jì)算和相關(guān)波長(zhǎng)相互作用的傅里葉光柵來(lái)調(diào)控實(shí)現(xiàn)的光波輸出。

    以前還沒(méi)有可以*控制每個(gè)傅里葉光波成分和光柵相互作用的好方法。些實(shí)驗(yàn)嘗試使用超表面，或者波浪形表面光柵，但是由于微納制備技術(shù)的限制，（只能使用灰度光刻實(shí)現(xiàn)2階或者多階深度的表面光柵，或者使用激光干涉光刻制備類似傅里葉波形表面）不能實(shí)現(xiàn)對(duì)相互作用波長(zhǎng)的*選擇。

    設(shè)計(jì)或者制備不的表面會(huì)和多個(gè)波長(zhǎng)相互作用降低有用信號(hào)的成分并增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。

    有鑒于高精度3D納米直寫之于本工作的重要意義，NanoFrazor的高銷售工程師Wu博士別與作者Nolan Lassaline博士進(jìn)行了制備工藝方面的探討和交流，其中Nolan Lassaline博士對(duì)于NanoFrazor 3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機(jī)的評(píng)價(jià)如下：

    “In the field of diffractive optics, it has been known for a long time that wavy surface patterns would be ideal for manipulating light. However, due to the limitations of traditional fabrication techniques, it has not been possible to fabricate surfaces with arbitrary wavy profiles. This has ultimately limited the capabilities of diffractive optics, stimulating decades of research aimed at solving this problem. To overcome this limitation, we took advantage of the unique 3D patterning capabilities offered by the NanoFrazor. Amazingly, this allowed us to fabricate wavy metallic diffractive surfaces with an error of only 1.8 nm. We used this remarkable precision to fabricate a variety of previously impossible diffractive surfaces that show promise for both fundamental optics research and practical applications in photonics. We envision that this approach, made possible only by the NanoFrazor, will lead to advanced optical devices of the future. Beyond diffractive optics, these novel 3D surfaces open up many exciting possibilities for science and engineering across a number of different fields.”（ 大意：在衍射光學(xué)域，很久以來(lái)人們就知道用波浪狀的表面操縱調(diào)控光信號(hào)是非常理想的。然而，由于傳統(tǒng)納米制備技術(shù)的局限，不能制備出由任意正弦波形組合輪廓的表面。這終限制了衍射光學(xué)器件的功能，也激發(fā)了數(shù)十年來(lái)旨在解決這問(wèn)題的科研。我們用NanoFrazor提供的*3D圖案化功能終于突破了這限制。更為驚訝的是，我們能夠制備任意波浪形的金屬衍射表面，波形誤差與設(shè)計(jì)波形僅為1.8 nm。我們用NanoFrazor非凡的高精度制備出了各種以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的衍射表面，有望更深入地探討基礎(chǔ)光學(xué)研究和光子學(xué)實(shí)際應(yīng)用的許多課題。我們可以預(yù)想，NanoFrazor的*加工方法將改革未來(lái)進(jìn)光學(xué)器件的制備。除了衍射光學(xué)域之外，這些新穎制備的3D波浪狀表面還將開(kāi)啟科學(xué)和工程學(xué)許多不同研究域的令人興奮的新課題。） 

圖5 傅里葉表面的設(shè)計(jì)與制備

關(guān)于本文當(dāng)中傅里葉表面的設(shè)計(jì)及制備流程：

A傅里葉表面的設(shè)計(jì)：

    將所要制備的表面輪廓的數(shù)學(xué)表達(dá)公式（這里是在維的正弦曲線）轉(zhuǎn)換為灰度位圖。圖中每個(gè)像素為10 nm×10 nm，其深度別介于0和255（8位）之間。位圖在白色邊框內(nèi)的水平方向上為正弦函數(shù)，而垂直方向不變。位圖中，白色邊框中的像素設(shè)置為小深度別。

B銀基傅里葉表面的制備工藝流程：

（1）用熱掃描探針在聚合物抗刻蝕劑層中刻寫設(shè)計(jì)好的納米結(jié)構(gòu)；

（2）用熱蒸發(fā)工藝在刻寫后的聚合物表面沉積銀，厚度大于500nm；

（3）用紫外光固化環(huán)氧樹(shù)脂將顯微鏡載玻片固定于銀層背面；

（4）將玻片/環(huán)氧樹(shù)脂/銀堆疊結(jié)構(gòu)剝離下來(lái)，從而完成制備

C通過(guò)模板制備得到的銀基傅里葉表面。

關(guān)于本工作的更多詳細(xì)信息，可參考如下信息：

（1）點(diǎn)擊此處了解原文鏈接

（2）Nolan Lassaline博士的視頻介紹資料