Nature技术解析|3D高速纳米直写机在实现三维光学傅里叶曲面结构中的突破
发布日期：2020-09-28
研究背景
光栅和全息图是通过微纳结构表面的衍射来对光信号进行调制的。尽管这种作用方式历史悠久，但人们一直在相关领域不断的探索，以发展功能更为强大的应用。进一步的发展可以基于傅立叶光学来设计、构筑傅里叶面的微纳结构，以生成所需的衍射输出信号。在这种策略中，需要能够精确地调制波前，理想的样品表面轮廓应该包含正弦波的精确总和，每个正弦波具有明确的幅度，频率和相位。但是由于技术的局限，通常只能制备有几个深度级别轮廓，无法获得复杂的连续“波浪”表面，从而限制了使用简单的数学设计而实现复杂的衍射光学效果。
研究亮点
针对以上问题，苏黎世联邦理工的Nolan Lassaline博士等人，提出了一种简单而有效的方法来解决设计和制备间的差距，制备了任意数量的正弦波组成的光学表面。Nolan Lassaline等人使用扫描热探针t-SPL技术与模板法相结合的策略，制备了周期性和非周期性的光学表面结构。多元线性光栅允许利用傅里叶光谱工程精确调控光信号。同时，Nolan Lassaline等人克服了先前光子学实验的限制，制备了可以在同一入射角同时耦合红色，绿色和蓝色光的超薄光栅。更广泛地，Nolan Lassaline等人还分析设计并且精确复制了复杂的二维莫尔条纹，准晶体和全息图结构，展示了多种以前无法制备的衍射表面。Nolan Lassaline等人制备任意3D表面的方法，将为光学设备（生物传感器，激光器，超表面和调制器）以及光子学的新兴区域（拓扑结构，转换光学器件和半导体谷电子学）带来新的机遇。
图1 一维调制傅里叶曲面实际效果图
图2 二维调制傅里叶曲面实际效果图
图3 周期性及准周期性傅里叶表面图案
图4 傅里叶表面的应用
高精度三维刻写技术之于本工作的重要意义
苏黎世联邦理工的Nolan Lassaline博士使用NanoFrazor的高精度3D功能制备了一些独特的3D表面傅里叶光栅，对光波进行调控，有选择地透射或者反射选定波长的光信号，使得光栅只和选定波长的光信号相互作用。这样就可以通过简单的数学模型计算和相关波长相互作用的傅里叶光栅来调控实现的光波输出。
以前还没有可以完全控制每个傅里叶光波成分和光栅相互作用的好方法。一些实验尝试使用超表面，或者波浪形表面光栅，但是由于微纳制备技术的限制，（只能使用灰度光刻实现2阶或者多阶深度的表面光栅，或者使用激光干涉光刻制备类似傅里叶波形表面）不能实现对相互作用波长的完全选择。
设计或者制备不的表面会和多个波长相互作用降低有用信号的成分并增加系统的复杂性。
有鉴于高精度3D纳米直写之于本工作的重要意义，NanoFrazor的销售工程师Wu博士特别与作者Nolan Lassaline博士进行了制备工艺方面的探讨和交流，其中Nolan Lassaline博士对于NanoFrazor 3D纳米结构高速直写机的评价如下：
“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：在衍射光学领域，很久以来人们就知道用波浪状的表面操纵调控光信号是理想的。然而，由于传统纳米制备技术的局限，不能制备出由任意正弦波形组合轮廓的表面。这终限制了衍射光学器件的功能，也激发了数十年来旨在解决这一问题的科研。我们利用NanoFrazor提供的独特3D图案化功能终于突破了这一限制。更为惊讶的是，我们能够制备任意波浪形的金属衍射表面，波形误差与设计波形仅为1.8 nm。我们利用NanoFrazor非凡的高精度制备出了各种以前无法实现的衍射表面，有望更深入地探讨基础光学研究和光子学实际应用的许多课题。我们可以预想，NanoFrazor的独有加工方法将改革未来先进光学器件的制备。除了衍射光学领域之外，这些新颖制备的3D波浪状表面还将开启科学和工程学许多不同研究领域的令人兴奋的新课题。）
图5 傅里叶表面的设计与制备
关于本文当中傅里叶表面的设计及制备流程：
A傅里叶表面的设计：
先将所要制备的表面轮廓的数学表达公式（这里是在一维的正弦曲线）转换为灰度位图。图中每个像素为10 nm×10 nm，其深度级别介于0和255（8位）之间。位图在白色边框内的水平方向上为正弦函数，而垂直方向不变。位图中，白色边框中的像素设置为小深度级别。
B银基傅里叶表面的制备工艺流程：
（1）利用热扫描探针在聚合物抗刻蚀剂层中刻写设计好的纳米结构；
（2）利用热蒸发工艺在刻写后的聚合物表面沉积银，厚度大于500nm；
（3）利用紫外光固化环氧树脂将显微镜载玻片固定于银层背面；
（4）将玻片/环氧树脂/银堆叠结构剥离下来，从而完成制备
C通过模板制备得到的银基傅里叶表面。
文章作者Nolan Lassaline关于本工作的讲解视频：
关于本工作的更多详细信息，可参考如下信息：
（2）Nolan Lassaline博士的视频介绍资料：https://www.youtube.com/watch?v=moGtRjjhbPk
