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研究人員開發出生產精密衍射光柵的方法

蘇黎世聯邦理工學院的研究人員已經開發出一種用于生產納米級波浪形表面的方法。將來,例如,可以使用這種方法來使用于互聯網上數據傳輸的光學組件更加高效,緊湊。

最近幾周再次證明了基于光的技術對我們社會的重要性。借助互聯網,數以百萬計的人可以遠程工作,進入虛擬教室或與親朋好友交談。反過來,互聯網的力量歸功于無數的光脈沖,通過光纖,光脈沖在全球范圍內發送大量數據。

為了操縱和控制這些光脈沖,采用了各種技術。最古老也是最重要的之一是衍射光柵,它將不同顏色的光沿精確確定的方向偏轉。數十年來,科學家一直在努力改善衍射光柵的設計和生產,以使其適合當今的苛刻應用。在蘇黎世聯邦理工學院,由機械與過程工程學系教授David Norris領導的一組研究人員開發了一種全新的方法,通過該方法可以生產出更高效,更精確的衍射光柵。他們與現在在烏得勒支大學以及海德堡儀器納米公司的同事一起完成了這項工作,海德堡儀器納米公司是ETH衍生出來的SwissLitho。研究人員將結果發表在科學雜志《自然》上。

溝槽干擾

衍射光柵基于干涉原理。當光波撞擊凹槽表面時,它會分成許多較小的波,每個較小的波都從一個單獨的凹槽發出。當這些波離開表面時,它們可以加在一起或互相抵消,這取決于它們傳播的方向和波長(與顏色相關)。這就解釋了為什么在白光照射下,其表面存儲有微小凹槽的CD表面會產生反射顏色的彩虹。

為了使衍射光柵正常工作,其凹槽需要具有與光的波長相似的間距,該間距大約為1微米,比人發的寬度小100倍。“傳統上,這些凹槽是使用微電子行業的制造技術蝕刻到材料表面的,”諾蘭·拉薩琳(Nolan Lassaline)博士說。是Norris小組的學生,也是該研究的第一作者。“但是,這意味著光柵的凹槽形狀相當方形。另一方面,物理學告訴我們,凹槽應該具有光滑和波浪狀的圖案,就像湖上的漣漪一樣。”因此,用傳統方法制成的凹槽只能是近似的,這又意味著衍射光柵將使光轉向的效率降低。

用熱探針進行表面構圖

他們的方法基于一項技術,該技術也起源于蘇黎世。諾里斯說:“我們的方法是掃描隧道顯微鏡的大孫子,它是40年前由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發明的,后來他們的研究獲得了諾貝爾獎。”在這樣的顯微鏡中,材料表面被具有高分辨率的探針的尖銳末端掃描。這種掃描產生的圖像甚至可以顯示材料的各個原子。

相反,也可以使用鋒利的尖端對材料進行構圖,從而產生波浪狀的表面。為此,研究人員將掃描探針的尖端加熱到將近1000攝氏度,然后在某些位置將其壓入聚合物表面。這會導致聚合物分子分解并在那些位置蒸發,從而使表面得以精確雕刻。這樣,科學家可以將幾乎任意的表面輪廓逐點寫入聚合物層,分辨率為幾納米。最后,通過在聚合物上沉積銀層,將圖案轉移到光學材料上。然后可以將銀層與聚合物分離,并用作反射衍射光柵。

諾里斯說:“這使我們能夠在銀層中生產出具有幾原子距離精度的任意形狀的衍射光柵。”與傳統的正方形凹槽不同,這種光柵不再是近似的,而是實用的,并且可以以反射光波的干涉產生精確可控圖案的方式成形。

多種應用

這樣的完美光柵為控制光提供了新的可能性,這種光具有廣泛的應用范圍,Norris說:“例如,可以使用這項新技術將微小的衍射光柵構建到集成電路中,從而可以向互聯網發送光信號,接收和路由效率更高。”拉薩林(Lassaline)補充說:“通常,我們可以使用這種衍射他說,這些小型設備的范圍從超薄相機鏡頭到具有更清晰圖像的緊湊型全息圖。它們有望在光學技術中產生廣泛的影響,例如未來的智能手機相機,生物傳感器或機器人和自動駕駛汽車的自主視覺。”

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