微納結(jié)構(gòu)光學(xué)及應(yīng)用

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1、王楠1032011322017光學(xué)工程微納光學(xué)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用摘要：微納光學(xué)結(jié)構(gòu)技術(shù)是指通過(guò)在材料中引入微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新型光學(xué)功能器件。其中表面等離子體光學(xué)、人工負(fù)折射率材料、隱身結(jié)構(gòu)，都是通過(guò)引入微納結(jié)構(gòu)控制光的衍射和傳播，從而實(shí)現(xiàn)新的光學(xué)性能。從這個(gè)角度來(lái)講，微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造是微納光學(xué)發(fā)展的共性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，微納光學(xué)是新型光電子產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。關(guān)鍵字：微納光學(xué)；納米制造；微納光學(xué)產(chǎn)業(yè)；Abstract：Micro-nanoopticalstructuretechnologyreferstothroughtheintroduction

2、ofmicro-nanoopticalstructureinthematerial,implementnewopticalfunctionaldevices.Thesurfaceplasmonoptics,artificialnegativerefractiveindexmaterials,stealthstructure,throughtheintroductionofmicro-nanostructurecontroloflightdiffractionandtransmission,soastorealizethenewopticalper

3、formance.Fromthisperspective,micro-nanoopticalstructuredesignandmanufactureistheuniversalkeytechnicalproblemsinthedevelopmentofmicro-nanooptics,micro-nanoopticsisanewimportantdevelopmentdirectionofoptoelectronicindustry.Keywords:micro-nanooptics;nanofabrication;micro-nanoopti

4、calindustry1微納光學(xué)技術(shù)的多種應(yīng)用1）加工新型光柵借助于大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，可以加工出新型的光柵。光柵是個(gè)實(shí)用性很強(qiáng)的基本光學(xué)器件，在23ARTICLE

5、論文激光與光電子學(xué)進(jìn)展2009.10光譜儀、光通信波分復(fù)用器件、激光聚變工程、光譜分析等領(lǐng)域中大量使用。傳統(tǒng)的表面光柵不論是機(jī)械刻畫光柵，還是全息光柵，其表面的光柵結(jié)構(gòu)是很薄的。明膠或光折變體全息光柵的光柵厚度較厚，由于制造工藝的一致性、溫度穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍然有限制。2）制作深刻蝕亞波長(zhǎng)光柵采用激光全息、光刻工藝和半導(dǎo)體干法刻蝕工藝可以加工出深刻蝕亞波長(zhǎng)光柵

6、。其簡(jiǎn)化的基本工藝流程如圖1所示。首先，采用激光全息產(chǎn)生高密度光柵的光場(chǎng)；其次，通過(guò)光刻工藝，在光刻膠上做出光柵掩模；最后，通過(guò)反應(yīng)離子或高密度等離子體等半導(dǎo)體干法刻蝕技術(shù)，加工出深刻蝕的表面光柵。圖1利用微電子光刻與刻蝕工藝、激光全息技術(shù)等，加工深蝕光柵的工藝流程通過(guò)在普通石英玻璃中引入深刻蝕光柵結(jié)構(gòu)，如圖2所示，就可以實(shí)現(xiàn)一系列實(shí)用的光學(xué)器件。圖2(a)所示的高效率光柵，衍射效率理論值為98%，可以實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)關(guān)結(jié)構(gòu)，也就是對(duì)于TE，TM偏振入射光均可以實(shí)現(xiàn)很高的衍射效率。圖2(b)所示為偏振分束器件，也就是將TE，TM偏振方向的光完全分開(kāi)，表

7、現(xiàn)出類似于晶體的偏振分光性能。圖2(c)所示為在二次布拉格角度下工作的分束光柵。圖2(d)所示為高效率1×3分束器，衍射效率可以高達(dá)98％，和商品化的1×3分束器（衍射效率75％）相比，衍射效率要高出23%,具有重要的應(yīng)用前景。圖2深刻蝕石英光柵可以實(shí)現(xiàn)一系列功能：(a)高衍射效率98%；（b）偏振分束；（c）二次布拉格角分束；（c）高效率1×3分束器等3）可實(shí)現(xiàn)多種新型光學(xué)元件利用微納光學(xué)技術(shù)，結(jié)合數(shù)字編碼技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)更多新型的光學(xué)元件，例如偏振透鏡周常河，偏振透鏡及其制備方法[P].中國(guó)專利：200710038257.6。所謂偏振透鏡就是

8、可以僅對(duì)一個(gè)偏振光成像，而對(duì)另外一個(gè)偏振光則完全濾除。眾所周知，光學(xué)透鏡是一個(gè)基本的光學(xué)元件。一般來(lái)說(shuō)，普通的光學(xué)透鏡沒(méi)有偏振特性，對(duì)于不同偏振光的成像功能完全一樣。如果要想實(shí)現(xiàn)偏振控制功能，則必須附加上起偏器等元件，這將使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴、體積龐大。最近發(fā)明的一種微納結(jié)構(gòu)數(shù)字編碼的“偏振透鏡”能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)任意偏振光成像的功能，如圖3所示。它利用光學(xué)表面的微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)偏振選擇功能和數(shù)字編碼實(shí)現(xiàn)透鏡成像功能，使普通光學(xué)材料通過(guò)引入微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)偏振成像的功能。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，通過(guò)大批量復(fù)制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低生產(chǎn)成本，具有良好的產(chǎn)業(yè)化

9、前景。圖3數(shù)字化編碼的光學(xué)表面微結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)偏振透鏡的功能。4）提高能源的利用效率利用微納光學(xué)器件，可以為目前大力提倡的“節(jié)能減排”做貢