Author Affiliations
Abstract
1 Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Pohang, Republic of Korea
2 Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Pohang, Republic of Korea
3 POSCO-POSTECH-RIST Convergence Research Center for Flat Optics and Metaphotonics, Pohang, Republic of Korea
Advancements in micro/nanofabrication have enabled the realization of practical micro/nanoscale photonic devices such as absorbers, solar cells, metalenses, and metaholograms. Although the performance of these photonic devices has been improved by enhancing the design flexibility of structural materials through advanced fabrication methods, achieving large-area and high-throughput fabrication of tiny structural materials remains a challenge. In this aspect, various technologies have been investigated for realizing the mass production of practical devices consisting of micro/nanostructural materials. This review describes the recent advancements in soft lithography, colloidal self-assembly, and block copolymer self-assembly, which are promising methods suitable for commercialization of photonic applications. In addition, we introduce low-cost and large-scale techniques realizing micro/nano devices with specific examples such as display technology and sensors. The inferences presented in this review are expected to function as a guide for promising methods of accelerating the mass production of various sub-wavelength-scale photonic devices.
nanofabrication scalable manufacturing soft lithography colloidal self-assembly block copolymer self-assembly Photonics Insights
2023, 2(2): R04
哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院，广东 深圳 518055
超构表面为纳米光子器件赋予了更高的自由度与灵活度，使实用的微纳米光子器件的实现成为可能。基于高折射率半导体材料的介质超构表面制备技术可以和半导体集成电路的制作工艺结合，有希望在攻克超构表面大面积和高通量制备技术难题上发挥重要的作用，因此对其光场调控性能和制备工艺的研究是该领域近年来的重要发展方向。本文从硅、氮化硅和二氧化钛等介质超构表面出发，介绍了超构表面高通量制造技术的发展。此外，介绍了基于大面积制造技术实现实际应用的基于纳米光子器件的光学器件，如显示、成像、光调控器件。
光学设计 超构表面 微纳制造 高通量制造 CMOS兼容制造工艺
1 香港城市大学电机工程系，香港 999077
2 香港城市大学生物系统、神经科学和纳米技术中心，香港 999077
3 香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室，香港 999077
超构光学为平面光学器件的发展提供了新的思路与方向。超构器件由亚波长人工纳米结构组成，能在二维平面上实现对入射光的振幅、相位和偏振的操纵。研究人员已经发展了多种超构表面技术，将其用于满足各式各样的光学需求。本文首先回顾了超构器件的前沿研究与技术发展现状，介绍了超构器件的广义设计流程，并以连续宽带消色差超构透镜为例进行逐步说明，帮助读者理解；然后，展示了多种超构器件加工方法，包括直写刻蚀、图案转移刻蚀和混合图案刻蚀等，进一步讨论了超构器件在成像应用中的发展，包括偏振成像、光场成像、光学感测以及生物成像等；最后，进行了总结，并对超构器件未来的发展提出了见解与展望。
光学设计 超构器件 超构表面 纳米加工 光学成像
1 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 福建福特科光电股份有限公司，福建 福州 350100
在纳米激光直写加工系统中，显微物镜是其中的关键部件，行业发展的趋势是在大数值孔径（NA）下具有更大的物方视场，并且能适应双光子聚合（Two-photon polymerization，TPP）胶折射率的变化。对比当前TPP效应研究所用显微物镜的指标，挖掘了物方视场、NA和镜片数的关系，并提出物镜的合成敏感度指标（Synthetic sensitivity index，Iss）。结合Iss设计了一款波段为500~800 nm、NA大于1.3、物方视场为1.0 mm的显微物镜。该物镜的设计结果为，调制传递函数曲线接近衍射极限，波像差均方根小于0.07λ，以内调焦方式来适应TPP胶折射率的变化。公差分析表明该设计结果具有可行性。
光学设计 大视场 大数值孔径 平场复消色差显微物镜 激光直写 微纳加工 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0518001
Author Affiliations
Abstract
1 The Australian National University, Research School of Physics, Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS), Department of Electronic Materials Engineering, Canberra, Australian Capital Territory, Australia
2 McGill University, Department of Physics, Montréal, Quebec, Canada
We propose and experimentally demonstrate a dielectric metasurface that allows monitoring of polarization deviations from an arbitrary elliptical input anchor state simply by tracking in real-time the output ratio between the powers of horizontal and vertical components after the metasurface. Importantly, this ratio can be enhanced corresponding to increased responsivity. Such nontrivial functionality is achieved by designing binary metasurfaces that realize tailored nonunitary and chiral polarization transformation. We experimentally demonstrate the operation at telecommunication wavelengths with enhanced responsivity up to 25 for various anchor states, including the strongly elliptical and circular. We also achieve the uncertainty of deviation measurement that is significantly better than the fundamental limit for nonchiral metasurfaces.
nanophotonics metasurface polarimetry nanostructure nanofabrication Advanced Photonics Nexus
2023, 2(2): 026003
1 山东大学物理学院 晶体材料国家重点实验室,山东 济南 250100
2 南开大学电子信息与光学工程学院 微尺度光学信息基础科学重点实验室, 天津 300350
作为三维超构材料的衍生物，具有亚波长厚度的人工超构表面结构能够在紧凑的平台上灵活操纵光与物质的相互作用，有利于多功能、超紧凑光子器件的研发，对于微纳光子学和集成光子学具有重要意义。铁电晶体铌酸锂凭借其跨越可见光至中红外波段的宽透明窗口以及较大的非线性光学、电光系数，被认为是最有前途的多功能集成光子平台之一。近年来，基于铌酸锂薄膜(lithium-niobate-on-insulator，LNOI)的集成光子学器件研究也得到了迅猛发展。本文总结了几种有潜力制备高质量铌酸锂超构表面的微纳加工技术，同时介绍了近年来铌酸锂超构表面结构的研究进展，并对其未来的研究方向进行了展望。
超构表面 铌酸锂 微纳加工 非线性光学 metasurface lithium-niobate micro-nanofabrication nonlinear optics
1 之江实验室智能芯片与器件研究中心，浙江 杭州 310023
2 浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027
双光子激光直写技术以其高精度、高灵活性的特点在科研领域被广泛应用，但较低的直写速度制约了其在工业领域的应用与发展。本团队基于转镜扫描系统设计并验证了一套高速双光子激光直写光刻系统，该系统基于空间光调制器与多通道声光调制器的联合调控，实现了六通道并行刻写功能，且每个通道可独立调控，调控频率可达MHz以上。实验结果表明，每通道直写速度最高可达7.770 m/s，刻写特征尺度最小为150 nm，并行刻写时的最高直写速度可达46.62 m/s。此外，本团队基于反射式像旋转器设计了一种高精度调节通道间距的方法，调节精度优于1 nm。
光学制造 微纳加工 双光子激光直写 多光束并行制造 中国激光
2022, 49(22): 2202009
首先综述了当前X射线透镜的分辨率和效率的水平,预测并讨论了发展我国波带片透镜、赶超国际先进水平的技术路径图。在原有100 nm分辨率波带片和会聚透镜工艺基础上,综述了电子束光刻结合金电镀进一步发展30~70 nm分辨率的X射线波带片的最新进展。在研发30 nm分辨率的波带片中,电子束光刻中的邻近效应严重限制了波带高宽比,而现有商业软件(基于蒙特卡罗模型和显影动力学)的邻近效应修正在同时处理从微米到30 nm的各种图形时效果甚微。为此,本团队针对70 nm分辨率的硬X射线波带片采用了图形修正法,实现了20∶1的波带高宽比,针对50 nm分辨率的硬X射线波带片采用了分区域修正法,获得了15∶1的波带高宽比;30 nm波带片透镜的金属化摒弃了传统的直流电镀工艺,采用脉冲金电镀,实现了金环均匀电沉积,成功研制了30 nm分辨率的软X射线波带片透镜和30~100 nm的大高宽比分辨率测试卡。所有研制的波带片透镜在上海同步辐射装置得到了X射线光学成像验证。
光学学报
2022, 42(11): 1134005
1 中国科学院微电子研究所，北京 100029
2 中国科学院大学集成电路学院，北京 100049
当今世界离不开信息产业，信息产业离不开半导体集成电路芯片制造技术，即微电子技术。集成电路芯片制造工艺中最关键的就是光刻技术。光刻技术开始于1958年美国德克萨斯公司试制的世界上第一块平面集成电路，在短短的60年中，光刻分辨率极限一次又一次被突破，创造了人间奇迹。作为微电子技术工艺基础的光刻技术与微/纳米加工技术是人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术。光刻加工尺寸从百微米到10 nm，加工手段从钢板尺手术刀照相机到电子束光刻，光源波长从光学曝光到极紫外曝光。集成度提高了约百亿倍，特征尺寸线宽缩小到原来的约1/10000。随着纳米集成电路迅猛发展，光刻技术也从等效摩尔时代进入后摩尔时代。
激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922031
长春工业大学 先进结构材料教育部重点实验室, 长春 220103
为了提高TiO2在太阳光下的催化性能, 采用真空蒸镀法在金属钛表面蒸镀Ag膜, 并结合飞秒激光做一步加工, 同步实现了微纳结构TiO2的生成与Ag粒子的复合, 取得了具有良好太阳光催化性能的掺Ag的TiO2表面。结果表明, 经300min模拟太阳光辐照, 掺杂Ag的TiO2微纳复合材料对亚甲基蓝的降解率为70%, 是具有同样结构的TiO2材料的1.5倍;这种基于体材料直接加工的方法可以提高比表面积, 解决传统TiO2分散性高、难回收的问题;利用这种方法制备的结构化掺杂Ag的TiO2材料在模拟太阳光照下光催化性能得到显著提升。这一结果对制备环保高效的TiO2光催化剂具有重要的潜在应用价值, 并有望应用于工厂大规模快速生产。
激光技术 激光表面改性 光催化 微纳制造 laser technique Ag-TiO2 Ag-TiO2 laser surface modification photocatalytic micro/nanofabrication
