研究人员开发了一种制造精确衍射光栅的方法

苏黎世联邦理工学院的研究人员开发出了一种制造纳米波浪表面的方法。例如，在未来，这种方法可以用于使互联网上数据传输的光学元件更加高效和紧凑。

最近几周再次证明了光基技术对我们社会的重要性。在互联网的帮助下，数百万人可以远程工作，进入虚拟教室或与朋友和亲戚交谈。反过来，互联网的力量归功于无数的光脉冲，这些光脉冲通过光纤在世界各地发送大量的数据。

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是衍射光栅，它能使不同颜色的光向精确确定的方向偏转。几十年来，科学家们一直在努力改进衍射光栅的设计和生产，使其适合当今要求苛刻的应用。在苏黎世联邦理工学院，由机械和工艺工程系教授戴维诺里斯领导的一组研究人员开发了一种全新的方法，通过这种方法可以生产出更高效、更精确的衍射光栅。他们与乌特勒支大学和海德堡仪器纳米公司的同事一起完成了这项工作，纳米公司是由ETH衍生而来的SwissLitho。研究人员将结果发表在科学杂志《自然》上。

沟渠干扰

衍射光栅基于干涉原理。当一个光波照射到一个凹槽的表面时，它被分成许多更小的波，每个波从一个单独的凹槽中发出。当这些波离开表面时，它们可以叠加在一起或相互抵消，这取决于它们的传播方向和波长(与颜色有关)。这就解释了为什么在白光的照射下，表面有微小凹槽的CD表面会产生反射色的彩虹。

为了使衍射光栅正常工作，它的凹槽需要具有与光的波长相似的间距，约为1微米，比人头发的宽度小100倍。“传统上，这些凹槽是使用微电子工业的制造技术蚀刻在材料表面的，”诺兰拉萨林博士说。他是诺里斯集团的学生，也是这项研究的第一作者。“然而，这意味着光栅的凹槽形状相当方。另一方面，物理学告诉我们，凹槽应该具有平滑的波状图案，就像湖面上的波纹一样。”所以传统方法制作的凹槽只能是近似的，也就是说衍射光栅会降低光转向的效率。

使用热探针的表面图案化

他们的方法是基于一项也起源于苏黎世的技术。诺里斯说：“我们的方法是扫描隧道显微镜的孙子。它是格尔德宾宁和海因里希罗雷尔在40年前发明的，后来他们的研究获得了诺奖。”在这种显微镜中，材料表面由探针的尖端以高分辨率扫描。这种扫描产生的图像甚至可以显示材料的原子。

相反，尖锐的尖端也可以用于图案化材料，从而产生波状表面。为此，研究人员将扫描探针的尖端加热到近1000摄氏度，然后在一些位置将其压入聚合物表面。这将导致聚合物分子在这些位置分解和蒸发，从而可以精确地雕刻表面。通过这种方式，科学家可以将几乎任何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。然后可以将银层从聚合物中分离出来，用作反射衍射光栅。

诺里斯说，“这使我们能够制作任意形状的衍射光栅，其距离精度达到银层中几个原子的距离。”与传统的方形凹槽不同，这种光栅不再是近似的，而是实用的，可以通过反射光波的干涉产生精确可控的图案来成形。

多种应用

如此完美的光栅为控制光提供了新的可能性，具有广泛的应用前景。诺里斯说，“例如，这种新技术可以用于将微小的衍射光栅构建到集成电路中，从而将光信号发送到互联网，接收和路由效率更高。”Lassaline补充道：“通常，我们可以使用这种衍射。他说，这些小型设备从超薄相机镜头到图像更清晰的紧凑型全息图。它们有望在光学技术方面产生广泛的影响，例如未来的智能手机摄像头、生物传感器或机器人的自主视觉和自动驾驶汽车。”

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