We report on subwavelength reflective gratings for hyperspectral applications operating in a very large spectral band (340–1040 nm). Our study concerns a blazed-binary grating having a period of 30 μm and composed of 2D subwavelength structures with size from 120 nm to 350 nm. We demonstrate the manufacturing of the gratings on 3″ wafers by two lithography technologies (e-beam and nanoimprint) followed by classical dry etching process. Optical measurements show that the subwavelength grating approach enables a broadband efficiency, polarization behaviour and wavefront quality improvement with respect to the requirements for the next generation of spectro-imagers for Earth observation missions. An outlook towards spherical substrate based on nanoimprint lithography is also reported with the results of mixed features replication (holes and pillars in the range of 160–330 nm) on a 540 mm concave substrate which demonstrate uniformity and accuracy capabilities over 3″ surface.

The lateral geometry and material property of plasmonic nanostructures are critical parameters for tailoring their optical resonance for sensing applications. While lateral geometry can be easily observed by a scanning electron microscope or an atomic force microscope, characterizing materials properties of plasmonic devices is not straightforward and requires delicate examination of material composition, cross-sectional thickness, and refractive index. In this study, a deep neural network is adopted to characterize these parameters of unknown plasmonic nanostructures through simple transmission spectra. The network architecture is established based on simulated data to achieve accurate identification of both geometric and material parameters. We then demonstrate that the network training by a mixture of simulated and experimental data can result in correct material property recognition. Our work may indicate a simple and intelligent characterization approach to plasmonic nanostructures by spectroscopic techniques.

针对纳米压印过程中压印胶填充率低导致图案转移质量不佳，压印力过大损坏模板表面形貌等问题，提出一种基于压电驱动低频、低幅的振动辅助纳米压印方法制备光栅结构。在压印时施加横向一维振动，减小纳米压印过程中所需的压印力，提高压印胶对模板空腔的填充率。为研究双面光栅薄膜的周期变化对透射率的影响规律，运用时域有限差分法在波长500~1 500 nm范围内对不同周期参数的双面光栅结构进行仿真分析，得到周期参数变化对透射率的影响规律。在研制的振动装置上进行振动辅助纳米压印实验，并对制备出的双面光栅结构进行表面形貌表征以及透射率检测。实验结果表明，与无振动纳米压印技术相比，压印胶填充率显著提高，并改善了图案转移质量，减少大面积表面缺陷。在波长500~1 500 nm范围内，涂覆振动辅助纳米压印制备的双面光栅薄膜的SiO₂比传统纳米压印制备的双面光栅薄膜的SiO₂平均透射率提高4%，较无薄膜的SiO₂平均透射率提高6%。

大面积纳米压印技术是一种利用模板压印方法大规模制备大面积微纳米结构的图形化技术，具有重复性好、成本低及结构分辨率高等优点。对各类聚合物及介质的快速结构成型使得大面积纳米压印技术在制备微纳光学、光电器件方面具有独特的优势，可应用于发光二极管、显示器、增强现实光波导及微流控芯片等众多领域，并在纳米技术商业化中发挥关键作用。首先对纳米压印技术进行介绍，然后从大面积纳米压印技术、大面积压印模板制备、大面积纳米压印技术的器件应用及其前景与挑战四个方面来介绍大面积纳米压印技术。

表面增强拉曼散射(SERS)是一种无损、 高灵敏、 快速检测痕量重金属离子的光谱技术。 通过调控和优化纳米结构图案和尺寸可显著增强局域表面等离子体共振(LSPR)与表面等离子体激元(SPP)的耦合以提升电磁场强度, 是获得高性能SERS芯片的重要新途径。 提出一种用于检测痕量汞离子的新型金属/介质三维周期纳米结构高性能SERS芯片。 利用新型应力分化式双层模板纳米压印方法实现了大面积高均一纳米结构SERS芯片的低成本、 批量制备。 该芯片成功用于痕量汞离子的高灵敏快速检测。 采用有限元方法对压印过程界面微区应力进行模拟, 通过调控压印模板纵向结构和横向尺寸对模板进行设计。 模拟结果表明, 纵向有台阶结构的双层模板图案区域呈现高、 低两个应力分区, 其中, 高应力区占图案~72%的面积, 其应力均匀性比单层模板提升17%; 低应力区分布在图案边缘~28%的区域, 可有效减小脱模切应力。 当模板横向尺寸从15 mm缩减至7 mm, 界面应力整体提升1~2个数量级, 将显著提高压印成功率。 使用不同横向尺寸的单、 双层模板进行压印实验结果表明, 尺寸为7 mm的压力分化式双层模板实现了大面积高均一纳米结构的高质量制备, 这与模拟结果高度一致。 在压印胶纳米结构上构筑金纳米颗粒得到金属/介质三维周期纳米结构SERS芯片。 此芯片对罗丹明6G分子的检测极限为2.08×10^-12 mol·L^-1, 增强因子达3×10⁸, 检测均一性RSD为8.07%。 该芯片对汞离子的探测限浓度仅为10 ppt(5.0×10^-11 mol·L^-1), 浓度线性工作范围为5.0×10^-11~5.0×10^-5 mol·L^-1, 跨度达6个数量级, 呈现良好的线性关系(R²=0.966), 在目前汞离子检测技术中具有显著优势。 提出一种通用的高灵敏快速检测痕量物质的SERS芯片设计和制备方法。 这种基于光学原理芯片“结构设计-批量制备-实际应用”的研究范式将连接芯片设计和批量制备两个关键点, 推动其实际应用。