1 广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004
2 中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055
红外光学成像系统的灵敏度与光学窗口透射率密切相关，锗窗口是红外光学系统的常用窗口，在锗窗口上制备亚波长结构可以增强抗反射性能从而提高透射率，且常选择凸面窗口以获得更大的视场角。针对在曲面窗口上亚波长结构的制备工艺较为复杂的难题，本文运用柔性紫外纳米压印方法（soft UV-NIL），在凸面锗窗口表面高效、高质量地制作了亚波长抗反射结构。首先基于时域有限差分方法优化设计了亚波长抗反射结构参数，然后基于soft UV-NIL工艺制备了符合设计要求的亚波长结构。测试结果表明，在3.55~5.55 μm波长范围内，凸面锗窗口单面平均透射率由65.81%提升到78.68%，在波长为4.4 μm处，透射率由65.85%提升至83.13%，实现了中红外宽波段抗反射效果。
光学设计 微结构制造 亚波长结构 柔性紫外纳米压印 抗反射 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0522001
采用激光冲击压印技术制备具有多级沟槽微织构的疏水性铜箔表面。首先通过激光标刻制备具有多级沟槽特征的微模具，然后通过激光冲击压印技术将微模具上的多级沟槽微织构复制到工件表面。研究了冲击次数、软膜厚度对工件多级沟槽微织构疏水表面的表面形貌、静态接触角的影响。结果表明：当冲击次数从1次增加到7次、软膜厚度从300 μm减少至100 μm时，工件表面复制微织构的程度逐渐变大，同时表面的静态接触角增大，疏水性增强。通过对工件微织构表面元素及其成分的测量发现，采用激光冲击压印技术制备的具有多级沟槽微织构疏水表面在空气、水以及质量分数3.5% NaCl溶液中放置21天后，仍保持为疏水性，体现出该工艺制备的疏水表面具有良好的时效性。
激光技术 激光冲击压印 沟槽微织构 疏水性 时效性 激光与光电子学进展
2022, 59(17): 1714006
1 长江大学物理与光电工程学院, 湖北 荆州 434023
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
由于超透镜在光场相位调控、多功能复合、微纳集成等方面具备传统透镜无法比拟的优势,故其在许多领域具备极大的应用潜力。但是,超透镜的设计需要专业人员具备专业知识及丰富的经验,这使得非专业人员无法快速掌握,为此阻碍了超透镜的规模化制备。通过MATLAB和时域有限差分法(FDTD)的混合编程,研究了不依赖于预设物理模型的超透镜的设计过程,实现了介质超透镜的自动化设计。通过在MATLAB编写的软件界面上输入所需的超透镜参数,后台调用FDTD设计仿真程序来构建纳米结构,可以计算出结构的尺寸与相位和透过率的关系。根据所需的相位分布来构建超透镜,最后对超透镜进行数值模拟仿真及性能评估。所述的设计流程及软件能极大地方便非专业人员进行超透镜的设计。
光学设计 超透镜 设计软件 压印材料 自动化设计
长春工业大学 机电工程学院，吉林 长春 130012
为了解决纳米压印过程中填充率低下，压印图案易发生形变等问题，提出了一种新型振动辅助纳米压印方法。在压印过程中对压印胶施加横向的振动，增大了压印力，从而提高了填充率。运用时域有限差分法（finite difference time domain, FDTD），在波长300 nm～1 000 nm范围内，数值模拟了不同光栅结构，得到了光栅结构参数变化对其吸收率的影响规律。在振动辅助装置上进行振动辅助纳米压印实验，实验结果表明：与传统纳米压印技术相比，压印胶的填充率提高了30％，并改善了压印后微结构的表面形貌，减少了缺陷。
振动辅助 纳米压印 光栅结构 填充率 vibration-assisted nanoimprint grating structure filling rate
南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
在过去的十几年中，衍射耦合超窄共振已经发展成为一个独立的、快速扩展的研究领域。这种共振模式通常被称为表面晶格共振，具有体积小、易集成、低功耗等特点。设计了一种性能优异且可规模化生产的表面晶格共振折射率传感器。利用时域有限差分法进行了仿真，对结构的光学性能进行了研究。采用纳米球光刻技术以及纳米压印技术，制备出大面积、高质量的银纳米环阵列，结构的灵敏度为663 nm/RIU，品质因数为9.2。通过改变结构的几何参数，不仅能实现对共振波的调谐，同时还能提高折射率灵敏度。所提传感器在生物传感领域具有潜在的应用前景。
传感器 表面等离激元 纳米环型阵列 自组装 纳米压印 生物传感
1 中国矿业大学机电工程学院，江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学矿山机电设备江苏重点实验室，江苏 徐州 221116
3 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215031
随着高速高频通信技术的发展，电子铜箔表面平坦度对高频信号传输损耗的影响更加凸显，已成为制约高速高频通信技术发展的重要因素。本研究团队在目前技术发展的基础上，提出了一种铜箔与聚合物直接结合的方法。该方法主要分为三步：通过激光压平实现铜箔表面平坦化；通过激光压印在压平铜箔表面制造出规则的阵列纳米结构；通过激光焊接实现压平压印铜箔与液晶聚合物(LCP)的直接结合。试验发现，通过激光压平可以将40.6 nm的铜箔表面粗糙度降低到7.8 nm，表面粗糙度降低了80.8%。通过激光压印在压平铜箔表面压印出的规则阵列纳米结构，为铜箔与聚合物的直接结合奠定了基础。采用激光将表面压平压印的铜箔与LCP焊接在一起，对其进行拉伸测试后发现铜箔被拉断。这说明铜箔与LCP的焊接结合强度较高，所提方法在降低电流传输损耗方面具有潜在的应用价值。
激光技术 激光压平 激光压印 激光焊接 结合性能 异种材料
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室, 中国科学院纳米科学卓越创新中心, 国家纳米科学中心纳米加工实验室, 北京 100190
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。
表面增强拉曼散射(SERS) 痕量检测 纳米压印(NIL) 三维纳米结构 有限元分析 Surface enhanced Raman scattering (SERS) Design and fabrication of 3D SERS chips Finite element analysis (FEA) Nanoimprint lithography (NIL) Trace detection 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3782
1 中国科学院光电技术研究所, 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
文章对柱面微透镜阵列纳米压印中用到的精密模具的制作过程开展了仿真分析和实验研究。超精密切削技术是制作精密压印模具的有效手段之一。基于Johnson-Cook本构模型,采用有限元分析方法模拟了超精密切削过程中切削参数与切削力之间的关系,获得了优选的切削参数。实验结果表明,采用优选后的切削参数进行柱面微透镜阵列模具切削能够获得良好的切削效果。切削后模具的面形精度RMS值达到19nm,表面粗糙度Sq达到4nm。
柱面微透镜阵列 纳米压印 超精密切削 切削参数 cylindrical microlens array nanoimprint ultra-precision cutting cutting parameters
