微纳光学结构及应用

1引言微纳光学主要指微纳米尺度的光学效应，以及利用微纳米尺度的光学效应开发出的光学器件、系统及装置。

微纳光学不仅是光电子产业的重要发展方向之一，也是目前光学领域的前沿研究方向。

微纳光学的发展是由大规模集成电路工艺水平的进步所推动的。

早在20世纪50年代，德国著名教授A.W.Lohmann [1]就考虑到利用光栅的整体相移技术对光场相位编码，以实现对光波的人工控制。

1964年夏季，A.W.Lohmann 教授指导大学生Byron ，利用IBM 当时先进的制版设备演示了世界上第一张计算机全息图。

随后的衍射光学进展都可以看作是人为地控制或改变光的波前，从这个意义上说，这个工作具有革命性的意义。

随着半导体工艺技术的进步，微米尺度的任意线
宽都可以加工出来。

由此，达曼提出一种新型的微光学分束器件，后人叫做达曼光栅[2]。

达曼光栅通过任意线宽的二值相位调制，将一束激光分成多束等强度的激光。

其制作充分利用了微电子工艺技术，是一个典
型的微光学器件[3]。

达曼光栅一般能产生一维或者二维矩阵的光强分布。

周常河等[4]提出了圆环达曼光栅，也就是不同半径的圆孔相位调制，实现多级等光强的圆环分布。

我们知道，圆孔的傅里叶变换是贝塞尔函数，而矩形的傅里叶变换是SINC 函数，因此，虽然达曼光栅和圆环达曼光栅的物理本质一样，但是其数学处理却不相同[5]。

随着制造技术水平的进步，出现了一些纳米光学领域的新概念：光子晶体（Photonic Crystal ）[6]、
表面微纳光学结构及应用
Micro-&Nano-Optical Structures and Applications
摘要简短回顾微纳光学的几个重要研究方向，包括光子晶体、表面等离子体光学、奇异材料、负折射、隐身以及
亚波长光栅等。

微纳光学不仅成为当前科学的热点研究领域，更重要的是，微纳光学是新型光电子产业的
发展方向，在光通信、光存储、激光核聚变工程、激光武器、太阳能利用、半导体激光、光学防伪技术等诸多
领域，起到了不可替代的作用。

关键词微纳光学；纳米制造；微纳光学产业
Abstract Important areas of micro -and nano -optics are introduced,which include photonics crystal,
plasmonics,metamaterials,negative -index materials,cloaking,subwavelength gratings and others.
Micro -and nano -optics is not only the hot subject of the current scientific research,and more
importantly,it reflects the new direction of the optoelectronics industry,which will be widely used in
optical communications,optical storage,laser fusion facility,laser weapon,utilization of solar energy,
semiconductor laser,optical anti-faking and others areas.
Key words micro-&nano-optics;nanofabrication;micro-&nano-optical industry
中图分类号TN25doi ：
10.3788/LOP20094610.0022
等离子体光学（Plasmonics）[7]以及奇异材料（Metamaterials）[8]。

当然，纳米天线（Nano Attena）[9]、硅基光子学[10]、量子点激光器[11]等，都吸引了大量的研究者，进行了非常深入的研究。

1）光子晶体最早由S.John[12]和Eli Yabonovitsch[13]在1987年提出。

随后，掀起了光子晶体研究的热潮。

光子晶体光纤进入了实际应用，特别是在飞秒激光的照射下能产生超连续谱，这个工作对于光学频率梳的发展起到了积极的作用[14]，使得光学频率梳技术随后获得了2005年度诺贝尔奖物理学奖[15]。

目前，光子晶体走向实用所面临的最主要的问题还是制造问题。

如何做出实用的三维结构光子晶体，仍然面临巨大的挑战。

经过多年的充分研究，人们逐步把研究热点从光子晶体转移到了奇异材料、表面等离子体光学上。

2）奇异材料也是纳米光学领域一个研究热点[8]。

奇异材料一般指人工材料，自然界中并不存在。

奇异材料吸引人们注意力的一个方面，就是负折射率。

用负折射率的奇异材料可以做出超透镜，它可以远小于光的波长而成像，这有可能在纳米成像、纳米光刻中应用。

隐身，也许是奇异材料令人激动的应用之一。

但直到目前为止，光波领域的负折射实验报道并不能满足实际需求，仍然是以基础研究为主，包括最近报道的硅纳米结构隐身实验结果[16]。

3）表面等离子体光学最近引起人们的注意力和T.W.Ebbesen等[17]于1998年在Nature上发表的一篇论文有关，这篇论文报道了光通过金属小孔的反常透射现象。

现在，人们对于表面等离子体光学正在进行深入研究。

例如，利用表面等离子体效应可以实现半导体激光的整形等[18]。

最近报道的金属光栅具有光谱选择性等[19,20]，使其更具有实用前景。

如果从光栅的角度来看，周期性结构的光学特性也可以从光栅理论解释[21]。

目前已经发展了多种光栅理论，可对不同的光栅进行研究。

广泛使用的是傅里叶模方法，包括严格耦合波方法。

严格耦合波方法可以得到多种光栅的数值解，但是并不能给出光栅内部的物理解析公式。

对于深刻蚀亚波长石英光栅的情况，最近认识到简化模式方法可以提供清晰的物理解释。

模式方法是1981年左右由I.C.Botten等[22]提出的，但模式方法一直没有引起太多的注意。

直到2005年A.V.Tischenko[23]和Tina[24]等的工作，清晰地显示了模式方法的优点。

随后，周常河课题组[25]在深刻蚀石英光栅用做波分复用器件的基础上，利用简化模式方法开展了一系列的工作,解释了深刻蚀石英光栅的内在物理过程[26~32]，给出入射光在亚波长光栅区域激发模式的清晰物理图像，这是严格耦合波方法所无法提供的。

深刻蚀石英光栅具有衍射效率高、热稳定性好、激光破坏阈值高等优点，在高能激光、光通信波分复用器件、飞秒激光压缩器[33]、光谱仪等领域，具有广泛的应用前景。

大规模集成电路制造技术的快速进步，不断突破65，45，32nm等制造线宽的节点，已经实现了32nm 光刻机的商品化，预计2011年将推出22nm的光刻机。

分辨率增强技术（Resolution Enhancement Technology,RET）是提高光刻分辨率的关键技术[34]，其中相移掩模技术是提高分辨率的有效手段之一，也包括离轴照明、调制相移、双次曝光或者双模板等技术[35]。

光学技术能够在32nm节点中使用，甚至也有可能用于小于10nm特征线宽。

不断进步的半导体工艺制造能力，不仅是微纳光学的强劲推动力，也将推动微光机械、表面等离子体光学、纳米天线、奇异材料等纳米光学的全面进步与发展，使纳米光学蓬勃发展。

2微纳光学结构及应用
2.1微纳光学的结构
微纳光学结构技术是指通过在材料中引入微纳光学结构，实现新型光学功能器件。

光子晶体就是规律性的三维微结构，其周期远小于波长，形成光子禁带，通过引入局部缺陷，控制光的传播与分束。

但光子晶体三维周期性结构的制造一直面临极大的挑战。

光栅可以看作是一维或者二维的光子晶体，但其设计和解释并不用复杂的光子晶体理论，光栅理论已经可以解释光栅的衍射行为。

光栅是传统的光学器件，其制造和加工是可行的。

传统镀膜技术加工的多层膜结构可以看作是垂直方向的一维光子晶体结构。

表面等离子体光学、人工负折射率材料、隐身结构，都是通过引入微纳结构控制光的衍射和传播，从而实现新的光学性能。

从这个角度来讲，微纳光学结构的设计和制造是微纳光学发展的共性关键技术问题，微纳光学是新型光电子产业的重要发展方向。

2.2微纳光学技术的多种应用
1）加工新型光栅
借助于大规模集成电路工艺技术，可以加工出新型的光栅。

光栅是个实用性很强的基本光学器件，
在
光谱仪、光通信波分复用器件、激光聚变工程、光谱分析等领域中大量使用。

传统的表面光栅不论是机械刻划光栅，还是全息光栅，其表面的光栅结构是很薄的。

明胶或光折变体全息光栅的光栅厚度较厚，由于制造工艺的一致性、温度稳定性和长期稳定性问题，在实际应用时仍然有限制。

2）制作深刻蚀亚波长光栅采用激光全息、光刻工艺和半导体干法刻蚀工艺可以加工出深刻蚀亚波长光栅。

其简化的基本工艺流程如图1所示。

首先，采用激光全息产生高密度光栅的光场；其次，通过光刻工艺，在光刻胶上做出光栅掩模；最后，通过反应离子或高密度等离子体等半导体干法刻蚀技术，加工出深刻蚀的表面光栅。

通过在普通石英玻璃中引入深刻蚀光栅结构，如
图2所示，就可以实现一系列实用的光学器件。

图2
(a)所示的高效率光栅，衍射效率理论值为98%，可以
实现偏振无关结构，也就是对于TE ，TM 偏振入射光
均可以实现很高的衍射效率。

图2(b)所示为偏振分束
器件，也就是将TE ，TM 偏振方向的光完全分开，表现
出类似于晶体的偏振分光性能。

图2(c)所示为在二次布拉格角度下工作的分束光栅。

图2(d)所示为高效率1×3分束器，衍射效率可以高达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%,具有重要的应用前景。

3）可实现多种新型光学元件
利用微纳光学技术，结合数字编码技术，还可以实现更多新型的光学元件，例如偏振透镜[36]。

所谓偏振透镜就是可以仅对一个偏振光成像，而对另外一个偏振光则完全滤除。

众所周知，光学透镜是一个基本
的光学元件。

一般来说，普通的光学透镜没有偏振特性，对于不同偏振光的成像功能完全一样。

如果要想实现偏振控制功能，则必须附加上起偏器等元件，这将使得结构复杂、成本昂贵、体积庞大。

最近发明的一种微纳结构数字编码的“偏振透镜”[36]能够实现对任意偏振光成像的功能，如图3所示。

它利用光学表面的微结构实现偏振选择功能和数
字编码实现透镜成像功能，使普通光学材料通过引入
微纳光学结构，就可以实现偏振成像的功能。

其优点
是体积小、重量轻，通过大批量复制技术，可以实现低
生产成本，具有良好的产业化前景。

4）提高能源的利用效率
利用微纳光学器件，可以为目前大力提倡的“节
能减排”做贡献。

例如，光学表面一般是有反射，如图
4(a)所示，在利用太阳能或提高半导体激光器的出光
效率时，会带来光能的损耗。

人们很早就知道，光学表
面的微纳结构会起到增加透射、减少反射的作用。

由
于随机表面结构加工的便利性，这方面的实验论文大
量报道。

采用随机微纳结构确实能起到一定减反的效
果，但对其物理本质深究的并不多。

我们的观点认为
这是由于渐进的光学表面等效折射率而导致的，而且
这个渐进的光学表面等效折射率应该是线性增加的，
这样才能够保证光波波前不会受到附加的扰动或干
扰，从这个角度来讲，三角形的表面微结构是最完美
的，如图4(b)所示。

而随机的光学表面微结构会引入
附加干扰。

而采用光栅模式方法就可以很好理解内在的物理过程[31]。

这个观点对于提高太阳能接受器件的图2深刻蚀石英光栅可以实现一系列功能：(a)高衍射效率98%[25]；(b)偏振分束[26]；(c)二次布拉格角分束[27]；(d)高效率1伊3分束器[28]等图3数字化编码的光学表面微结构可以实现偏振透镜的功能[36]。

图1利用微电子光刻与刻蚀工艺、激光全息技术等，加
工深刻蚀光栅的工艺流程
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参考文
献
利用效率以及半导体激光器件的出光效率，有重要应用价值。

在光显示中，利用纳米光学结构的宽带偏振效应，可以提高光能利用率。

在手机光显示等应用中，利用微纳米结构的波导效应，可以有效控制光的能量分布，提高光能利用率，如图5所示[37]。

5）可应用于高端光学的场合利用纳米光学结构色彩控制能力和数字化编码能力，将来有可能在人民币等高端光学防伪中使用。

微纳光学结构的色彩控制能力[20]和大批量复制技术，将来也有可能替代传统油墨印刷，从而发展出新型印
刷产业。

事实上，半色调编码技术，也就是将灰度图像
编码成不同密度的微观二值的模拟技术，很早就用于
印刷行业，使得报纸的印刷更加便宜和方便。

从面向
光学显示的娱乐产业以及飞机驾驶员培训三维场景
光学模拟[37]等高端应用来看，微纳光学都将发挥关键
作用。

3结论
微纳光学具有广泛的应用前景。

例如，下一代光
盘产业的研究已经进入到纳米阶段，光学超分辨技
术、纳米结构的光学制造、快速相变材料以及利用表
面等离子体等纳米光学技术[38]等都在其中得到了广
泛的重视与研究。

在光通信、激光武器、大气污染检测
等多种应用场合，微纳米光学技术都将发挥重要作用。

微纳光学不仅是新型光电子产业的发展方向，也已经成为光学领域的前沿学科方向，在Nature ，
Science 等国际顶级期刊上经常有微纳光学领域的论文发表[9，10，16，17，19]。

微纳光学结构的制造是一个基本技术问题，表面等离子体光学器件、负折射率材料等纳米光学器件均
需要先进纳米尺度的制造技术，它包括聚焦电子束设
备、光刻工艺设备、反应离子刻蚀设备或高密度等离
子体刻蚀设备以及激光全息设备等。

借助这些纳米制
造技术，可以制造出一系列新型的光学元件，例如：偏
振分光器件等。

因此，微纳光学器件在光存储、光显
示、光通信等多个领域，具有重要的应用前景。

收稿日期：2009-08-24；收到修改稿日期：2009-00-00
基金项目：国家自然科学基金（60878735）资助课题。

作者简介：周常河，男，研究员，博士生导师，主要从事微纳光学方面的研究。

E-mail:chazhou@
图4(a)光学表面的反射；(b)光学表面的微结构可以有
效降低反射，提高光能的利用率图5光学波导的微结构还可以实现光能量的空间分布，在手机，头盔显示等领域有重要的应用前景
[38]
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