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人工微納光學結構是指特征尺寸在微米甚至納米級別的一類新型光學器件。相比于傳統的折、反射光學元件,微納光學元件在波面轉換、偏振控制、光學抗反射、表面拉曼散射增強等方面具有許多獨特的光學性能,并由此產生了一系列新的應用,包括:
 

1.  二元光學元件在波面轉換中的應用

 


圖1. (a)二元光學元件用于光束整形     (b)二元光學元件用于復雜曲面干涉檢測

 

在激光的廣泛應用中,對激光的波面、光強分布、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,為實現一次成型的高效率加工,需要使用形狀各異(矩形、環狀或直線形)的激光光斑;在強激光光學中,對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。二元光學元件是基于光波的衍射理論,利用計算機輔助設計,并用微納制作工藝,在片基上刻蝕產生兩個或多個臺階深度的浮雕結構,行成純位相、同軸再現、具有極高衍射效率的一類衍射光學元件,可廣泛用于如圖1. (a)所示的激光光束整形。
 

在光學系統中采用高設計自由度的復雜曲面,不僅能夠使系統獲得更加優異的光學性能(例如矯正像差、改善像質、擴大視場、增大作用距離等),而且還能簡化系統結構、降低成本、減輕重量。復雜曲面所具有的多變的面型雖然為光學設計提供了更大的自由度,但同時也給檢測帶來了極大的困難。對于面形精度在亞微米量級的超精密光學自由曲面,目前還沒有一種方法能快速、準確地對其面形做出正確的評價。二元光學元件能夠靈活地產生任意形狀的波面,如圖1. (b)所示,若將其作為補償器放入普通干涉儀,可產生高質量的復雜比較波面,從而實現對光學非球面、自由曲面的高精度干涉檢測。
 
2. 亞波長光柵在偏振成像中的應用
 

光波蘊含的信息十分豐富,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滯后。究其原因,主要是因為所有探測器,包括人眼,均無法對光波的偏振態做出響應(偏振盲的)。隨著光信息科學的不斷發展,對光波偏振所攜帶信息的挖掘、利用成為該領域的一個研究熱點,而利用偏光器件準確探測入射光波的偏振態是所有偏振信息利用的基礎。通過研究發現:當光柵的周期小于入射光波長時,光柵將對入射光的偏振敏感,而且這種偏振敏感是由光柵周期的亞波長性決定的,而與所選材料是否具有光學各向異性無關。因此,通過在各向同性材料上制作亞波長結構,可以將該材料變為各向異性,靈活地應用于各光學波段。

 


圖2 配備多方向深亞波長金屬光柵偏振片的偏振成像系統及其偏振圖像

 

深亞波長納米金屬光柵的特征尺寸,包括周期、縫寬和柵層高度,遠小于入射光波長,其特點是對入射光的偏振態十分敏感。如圖2所示,在紅外熱像儀中,將深亞波長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,便可同時獲得四個偏振方向的輻射信息,滿足實時偏振成像的要求。偏振成像在軍事防偽裝中有著重要的應用:圖2下方三幅圖分別是對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,可見光圖像無法識別;卡車沒有啟動,與周圍環境不產生熱差,紅外圖像也很難識別;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. 反轉偏振光柵在深紫外偏振控制中的應用
 

受到微納制作工藝的限制,適用于深紫外波段的亞波長偏振光柵因周期過小(<20 nm)而無法被實際制作出來。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,我們通過反復優化光柵結構參數,設計并制作了一周期略小于深紫外波長的金屬鋁柵(圖3. a),TM光會因SPPs共振被鋁柵表面吸收和反射,而TE光則因導波模共振發生透射,從而在深紫外波段首次實現反轉偏振透射。隨后,我們利用ALD在光柵縫中共形填充了襯底介質-SiO2(圖3. b),通過增強導波模共振使TE光的平均透過率提高了40%(圖3. c,d)。

 


圖3. 深紫外波段反轉偏振光柵及其偏振透過率
 
4. 納米“金字塔”結構在光學抗反射中的應用
 

圖4. 黑硅實物圖及其局部電鏡掃描圖

 

光學反射是光波傳播到不同媒質界面時所發生的一種普遍光學現象。反射光的強弱由界面兩側媒質折射率的差異大小決定:折射率差別越大,反射越強;反之,越弱。在一些具體應用中,包括太陽能電池、紅外與微光夜視系統等,需要降低界面光學反射(抗反)以提高光能、光信息的利用率。如圖4所示,“金字塔”是一個典型的椎體結構,若將其尺寸縮小到納米尺度并以面陣形式制作到界面上,光波經過該“金字塔”陣列時,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(SERS)的單分子探測
 

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,會發生透射、反射、散射等物理過程。散射光中的拉曼散射信號攜帶了豐富的分子組分、結構等信息,被廣泛應用于分子探測。相比于透、反射和瑞利散射,分子的拉曼散射信號十分微弱,因此如何增強拉曼信號一直是SERS領域的研究主線。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構: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生了強烈的電場增強,當單分子經過這些強場區域時,通過捕捉增強拉曼散射信號,我們可以實現對單分子的探測。
 

6. 光柵單元陣列在勻光和LED及準分子激光整形的應用

圖6. SEM觀察到的光柵單元陣列及其光線追跡成像

 

微光學照明系統中會要求對照明光束的強度分布進行處理,包括在信息顯示,測量系統,室內照明,自動化,軍事,光刻等領域中,常常會有針對LED和準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,每個單元都起到一個線性相位的作用,將光束偏折到目標平面的特定位置上,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,這種元件通過設計可產生任意2D圖案,并且可以針對復色光或白光來設計出適合微光學照明系統的光柵單元陣列。
 

7. 傾斜光柵(Slanted grating)在增強現實(Augmented reality, AR)設備中的應用

傾斜光柵作為優質光耦合器用于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耦合器:由微顯示器發出的信號光,首先經傾斜光柵耦合進入平板波導,信號光在波導中以全反射的形式向兩端傳播,再經兩端的傾斜光柵耦合出波導,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。


圖7.傾斜光柵在AR頭盔Hololens中的應用

部分微納制作設備
 
1. 真空鍍膜
多模塊(磁控濺射、電子束蒸發、熱蒸發)鍍膜系統,Kurt J. Lesker Lab 18;實現各種金屬和介質的納米級鍍膜。
 
2. 電子束曝光
電子束曝光系統,Vistec Electron Beam;實現10 nm線寬的掩模制作。
 
3. 反應離子刻蝕
反應離子刻蝕系統,Oxford Plasmalab;將掩模圖案向金屬或介質轉移。
 
4. 原子層鍍
原子層鍍系統,Beneq TFS ALD;以原子層厚度實現高精度共形鍍膜。
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