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研究人员开发出生产精密衍射光栅的方法

苏黎世联邦理工学院的研究人员已经开发出一种用于生产纳米级波浪形表面的方法。将来,例如,可以使用这种方法来使用于互联网上数据传输的光学组件更加高效,紧凑。

最近几周再次证明了基于光的技术对我们社会的重要性。借助互联网,数以百万计的人可以远程工作,进入虚拟教室或与亲朋好友交谈。反过来,互联网的力量归功于无数的光脉冲,通过光纤,光脉冲在全球范围内发送大量数据。

为了操纵和控制这些光脉冲,采用了各种技术。最古老也是最重要的之一是衍射光栅,它将不同颜色的光沿精确确定的方向偏转。数十年来,科学家一直在努力改善衍射光栅的设计和生产,以使其适合当今的苛刻应用。在苏黎世联邦理工学院,由机械与过程工程学系教授David Norris领导的一组研究人员开发了一种全新的方法,通过该方法可以生产出更高效,更精确的衍射光栅。他们与现在在乌得勒支大学以及海德堡仪器纳米公司的同事一起完成了这项工作,海德堡仪器纳米公司是ETH衍生出来的SwissLitho。研究人员将结果发表在科学杂志《自然》上。

沟槽干扰

衍射光栅基于干涉原理。当光波撞击凹槽表面时,它会分成许多较小的波,每个较小的波都从一个单独的凹槽发出。当这些波离开表面时,它们可以加在一起或互相抵消,这取决于它们传播的方向和波长(与颜色相关)。这就解释了为什么在白光照射下,其表面存储有微小凹槽的CD表面会产生反射颜色的彩虹。

为了使衍射光栅正常工作,其凹槽需要具有与光的波长相似的间距,该间距大约为1微米,比人发的宽度小100倍。“传统上,这些凹槽是使用微电子行业的制造技术蚀刻到材料表面的,”诺兰·拉萨琳(Nolan Lassaline)博士说。是Norris小组的学生,也是该研究的第一作者。“但是,这意味着光栅的凹槽形状相当方形。另一方面,物理学告诉我们,凹槽应该具有光滑和波浪状的图案,就像湖上的涟漪一样。”因此,用传统方法制成的凹槽只能是近似的,这又意味着衍射光栅将使光转向的效率降低。

用热探针进行表面构图

他们的方法基于一项技术,该技术也起源于苏黎世。诺里斯说:“我们的方法是扫描隧道显微镜的大孙子,它是40年前由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明的,后来他们的研究获得了诺贝尔奖。”在这样的显微镜中,材料表面被具有高分辨率的探针的尖锐末端扫描。这种扫描产生的图像甚至可以显示材料的各个原子。

相反,也可以使用锋利的尖端对材料进行构图,从而产生波浪状的表面。为此,研究人员将扫描探针的尖端加热到将近1000摄氏度,然后在某些位置将其压入聚合物表面。这会导致聚合物分子分解并在那些位置蒸发,从而使表面得以精确雕刻。这样,科学家可以将几乎任意的表面轮廓逐点写入聚合物层,分辨率为几纳米。最后,通过在聚合物上沉积银层,将图案转移到光学材料上。然后可以将银层与聚合物分离,并用作反射衍射光栅。

诺里斯说:“这使我们能够在银层中生产出具有几原子距离精度的任意形状的衍射光栅。”与传统的正方形凹槽不同,这种光栅不再是近似的,而是实用的,并且可以以反射光波的干涉产生精确可控图案的方式成形。

多种应用

这样的完美光栅为控制光提供了新的可能性,这种光具有广泛的应用范围,Norris说:“例如,可以使用这项新技术将微小的衍射光栅构建到集成电路中,从而可以向互联网发送光信号,接收和路由效率更高。”拉萨林(Lassaline)补充说:“通常,我们可以使用这种衍射他说,这些小型设备的范围从超薄相机镜头到具有更清晰图像的紧凑型全息图。它们有望在光学技术中产生广泛的影响,例如未来的智能手机相机,生物传感器或机器人和自动驾驶汽车的自主视觉。”

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