plasmonic

王楠1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-nanoopticalstructuretechnologyreferstothroughthe

introductionofmicro-nanoopticalstructureinthematerial,implementnewoptical

faceplasmonoptics,artificialnegativerefractiveindex

materials,stealthstructure,throughtheintroductionofmicro-nanostructurecontrolof

lightdiffractionandtransmission,

thisperspective,micro-nanoopticalstructuredesignandmanufactureistheuniversal

keytechnicalproblemsinthedevelopmentofmicro-nanooptics,micro-nanoopticsis

anewimportantdevelopmentdirectionofoptoelectronicindustry.

Keywords:micro-nanooptics;nanofabrication;micro-nanoopticalindustry

1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|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。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)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1。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”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2。这个观点对于提高太阳能接受器件的用效率以及

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3。

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，提高光能利用率

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4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5等高端应用来看，微纳光学都将发挥关键作用。

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

2.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6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7’8’9’10’11。

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。

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