微纳结构光学及应用

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1、王楠1032011322017光学工程微纳光学结构及应用摘要：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。其中表面等离子体光学、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。关键字：微纳光学；纳米制造；微纳光学产业；Abstract：Micro-nanoopticalstructuretechnologyreferstothroughtheintroductionofmi

2、cro-nanoopticalstructureinthematerial,implementnewopticalfunctionaldevices.Thesurfaceplasmonoptics,artificialnegativerefractiveindexmaterials,stealthstructure,throughtheintroductionofmicro-nanostructurecontroloflightdiffractionandtransmission,soastorealizethenewopticalperformance

3、.Fromthisperspective,micro-nanoopticalstructuredesignandmanufactureistheuniversalkeytechnicalproblemsinthedevelopmentofmicro-nanooptics,micro-nanoopticsisanewimportantdevelopmentdirectionofoptoelectronicindustry.Keywords:micro-nanooptics;nanofabrication;micro-nanoopticalindustry1

4、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23ARTICLE

5、论文激光与光电子学进展2009.10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画光栅，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

6、。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。图1利用微电子光刻与刻蚀工艺、激光全息技术等，加工深蚀光栅的工艺流程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)

7、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。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%；（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，例如偏振透镜周常河，偏振透镜及其制备方法[P].中国专利：200710038257.6。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

8、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”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。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

9、能。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