1 南开大学物理科学学院，泰达应用物理研究院，弱光非线性光子学教育部重点实验室，天津 300071
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
光学元件的小型化与集成化一直是光场调控和集成光学领域的研究重点与难点之一。光学人工微结构具有在亚波长尺度上灵活调控光场振幅、偏振、相位、频率等属性的能力。通过与片上光波导或微腔集成，人工微结构可以为实现更紧凑的片上集成光子学器件以及更精确、更丰富的光场调控提供新的解决方案和更多的可能性。本文依据片上集成人工微结构在不同环节中调控的光场类型的差异，将其分成三类进行了讨论。介绍了基于不同设计原理的片上集成人工微结构在自由空间光入射耦合、波导模式面内调控以及离片辐射场调控方向的研究进展，并对该领域的部分新兴方向进行了展望。
人工微结构 超构表面 光场调控 集成光学 微纳光学 光学学报
2024, 44(10): 1026004
1 浙江工业大学理学院，智能光电研究所，浙江 杭州 310023
2 山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东 青岛 266237
针对传统混合区域振幅自由度（MRAF）算法衍射效率低、非信号区域有散斑等问题，提出一种改进的MRAF算法。该算法引入球面相位作为初始相位，使用动态振幅限制，利用基于全域振幅限制的迭代方案确定最佳Z值，并使用爬山邻域算法对得到的相位进行分段式迭代优化，从而改善了非信号区域由于完全无振幅限制有散斑的问题。具体地，在全区域振幅限制阶段所提算法确保了目标光斑的匹配性并可以抑制散斑效应，而在混合区域振幅限制阶段则减小了误差。通过在三角形上进行数值仿真，对最终获得的结果进行光学实验仿真，结果表明，改进后的MRAF算法有97.77%高的衍射效率和0.09%低的均方根误差，并且峰值背景比（PBR）由0.0079提高至2.0357，相比基础的MRAF算法，对目标区域外围的散斑抑制效果更好，具有更高的应用价值。
衍射光学元件 光束整形 迭代算法 衍射光学元件设计 微纳光学 光学学报
2023, 43(22): 2223002
1 浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室，浙江 杭州 310027
2 之江实验室，浙江 杭州 311121
双光子直写技术凭借其高精度、任意三维结构刻写、高成本效益、材料设计高自由度等特点，已被成功应用到多种微纳光学器件的刻写中。基于双光子直写的微纳光学器件应用不断拓展，对刻写分辨率和通量都提出了更高的需求。超分辨激光纳米直写和高通量激光直写技术使得双光子直写具有nm级精度与cm级尺寸的跨尺度加工能力，进一步拓展了基于双光子直写的微纳光学器件研究领域。本文首先对双光子直写原理进行概述，介绍本课题组在利用双光子直写技术制造衍射光学器件、光纤集成器件方面的研究进展；然后，介绍本课题组在使用超分辨激光直写技术制备纳米光子器件方面的拓展研究，并展示了高精度、高通量激光直写技术在大面积刻写微纳光学器件上的技术优势。
激光直写 双光子直写 微纳光学器件 纳米光刻 高通量刻写 光学学报
2023, 43(16): 1623013
1 唐山师范学院物理科学与技术学院, 河北 唐山 063000
2 深圳大学微纳光电子学研究院/纳米光子学研究中心, 深圳市微尺度光信息技术重点实验室, 广东 深圳 518060
表面等离激元自诞生以来已有一百多年的历史, 并逐渐形成了一门新的学科--表面等离激元光子学。 位于金属纳米结构中的局域表面等离激元可产生非常显著的近表面电场增强, 并成功应用于诸多研究领域当中, 而对局域表面等离激元与外界入射光中磁场的相互作用的研究则相对较少。 该研究在前期已有的研究基础之上模拟计算了金属纳米球-纳米圆盘结构间隙处的近表面电、 磁场增强, 研究结果表明该结构在单束紧聚焦径向偏振光束的激发下, 金属纳米圆盘产生局域表面等离激元呼吸模式和上下表面处的电偶极矩模式, 该模式使圆盘中心纵向表面电场得到增强。 由于金属纳米圆盘与金属纳米球的局域表面等离激元电偶极矩的耦合共振相互作用, 可以形成纵向电场得到有效增强的局域表面等离激元共振间隙模式。 通过数值模拟计算研究, 证明该金属纳米结构间隙模式的纵向电场分量相对于径向偏振入射光的有效激发横向电场分量即近表面电场的增强因子高达250倍; 而近表面磁场的增强因子高达170倍。 为了更清晰地展现出这种新型金属纳米结构的光谱特性以及近表面电、 磁场分布特征, 还展示出了该金属纳米结构的近表面电场增强分布、 近表面磁场振幅分布以及近表面电、 磁场共振波长的对比分析, 计算结果表明所提出的金属纳米球-纳米圆盘结构具有明显的局域近表面电、 磁场增强优势以及较宽的频谱波段。 由于本文提出的金属纳米结构具有电、 磁场增强优势, 希望计算结果能应用到更多的研究领域当中, 尤其是生物医学等领域, 为人们抗击疫情提供一点点参考和帮助。
微纳光学 金属纳米球-纳米圆盘 表面等离激元共振 电磁场增强 Micro-nano optics Metal nanosphere-nanodisc Surface plasmon resonance Electromagnetic field enhancement 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1098
增强现实显示器件作为一种可穿戴式的智能设备，通过将虚拟信息叠加在真实视野上，两种信息相互补充叠加，显著增强对真实世界的体验，对器件体积和质量的要求非常严格。微纳光学元件是指厚度及特征尺寸在纳米或微米量级的光学元件，在拥有强大的光场调控能力的前提下为缩减系统的尺寸和体积提供了新的途径。首先回顾几类典型微纳光学元件的原理和调控方式，随后讨论微纳光学元件在增强现实器件的技术路径和应用，并展望未来的发展。
微纳光学 增强现实 亚波长光栅 超表面 激光与光电子学进展
2022, 59(20): 2011003
西北大学物理学院光子学与光子技术研究所，陕西 西安 710127
太赫兹波作为未来6G通信的一个重要波段，是目前光学和电子学交叉方向的研究热点，但是其中的太赫兹源，尤其是基于微纳光学的集成型太赫兹源备受关注。基于纳米天线阵列中的等离子体共振响应特性，设计了一种宽波段的太赫兹辐射源。利用麦克斯韦方程和金属等离子体的动力学方程，研究了纳米天线阵列在脉冲激光激发下太赫兹时域信号的产生过程。研究发现产生的太赫兹辐射的偏振和入射光的偏振垂直，其发射带宽和激发光的脉宽密切相关。纳米天线阵列具有可设计和易集成性，有望在集成型太赫兹源器件方面有较好的应用，并为未来基于表面等离子体光学的太赫兹源设计提供理论基础。
光通信 纳米天线 太赫兹辐射 微纳光学 表面等离子体 光学学报
2022, 42(15): 1506001
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
基于对全息平板波导显示系统中核心全息光学元件的研究，采用双光束干涉法和相应的后处理工艺，在以石英玻璃为基底、重铬酸盐明胶为记录介质的全息干板上制备了具有折射率调制的反射型体全息光栅，并研究了不同曝光强度、折射率调制度、水洗时间对光栅衍射效率的影响。实验结果表明，经441.6 nm的He-Cd激光光源记录以及复杂的后处理工艺，最终制备的反射型体全息光栅衍射效率最高可达到61.8%，在可见光入射条件下产生了明显的分光效果。制备的全息实验样片在满足全反射的前提下可进行波导传输，为提高头戴式设备和增强现实等显示设备在传输过程中的衍射效率提供了一种新方法。
光栅 微纳光学 反射型体全息光栅 平板波导 衍射效率 干涉 激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0305001
1 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
2 之江实验室超级感知研究中心，浙江 杭州 310023
3 暨南大学光子技术研究院广东省光纤传感与通信技术重点实验室，广东 广州 510000
利用边缘光抑制技术，设计并研制了一套双光束激光三维直写光刻系统。该系统含有高速扫描振镜和三维纳米压电平台两组扫描机构，可以根据不同加工需求完成多种扫描模式下的微纳结构制造。分析了光刻光束中激发光与抑制光的能量变化对加工精度的影响，通过对光刻光束能量的精确控制，实现了基板表面最小线宽为64 nm的均匀线条和线宽为30 nm的悬浮线的稳定加工，加工结构的线宽变化符合理论预期。该系统在进行实用器件加工时，最高加工产率可达到0.6 mm2/min。使用该系统加工制造了多种微纳结构，证实了其具备加工大深宽比周期结构、复杂曲线结构和不规则三维结构的能力。
激光技术 光学制造 受激发射损耗 激光直写 微纳光学器件
1 泰山学院物理与电子工程学院, 山东 泰安 271021
2 南开大学现代光学研究所天津微尺度光信息科学技术重点实验室, 天津 300350
设计了一种用于产生多轴非对称结构光束的新型多轴非对称指数型锥器件,器件由非对称结构和多轴结构复合而成。利用理论计算、数值模拟和实验测量方法,验证了多轴非对称结构光束在传播过程中会产生多个焦点并且具有独特的能流特性。利用这一特性设计并开展了利用聚焦多轴非对称结构光束操控聚苯乙烯荧光微球的实验,结果表明,多轴非对称结构光束使得聚苯乙烯微球在被捕获过程中表现出“加速-减速-再加速”的运动规律,与模拟计算结果一致。多轴非对称指数型锥器件及其产生的多轴非对称结构光束在药物传输、微粒筛选等领域中有着重要的应用价值。
微纳光学 微光学元件 相位调制 激光光束整形 光学捕获 光学操纵 中国激光
2021, 48(24): 2413001
1 上饶幼儿师范高等专科学校, 江西 上饶, 334000
2 温州大学电气与电子工程学院微纳光电器件重点实验室, 浙江 温州 325035
卤族钙钛矿量子点暴露在空气中,其发光效率通常很难保持稳定。本文采用磁力搅拌的方法把溴化铅铯量子点掺入到柔性微透镜阵列聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜中,显著提高了溴化铅铯量子点的稳定性。实验研究发现制备的溴化铅铯量子点PDMS膜浸泡在水中和反复拉伸1000次其发光效率不下降。重要的是在PDMS表面引入微透镜阵列结构,发现微透镜阵列能够显著提高溴化铅铯量子点PDMS膜的发光效率和疏水性。这种柔性微透镜阵列量子点PDMS膜有望用于柔性LED中提高器件的发光效率和疏水性。
微纳光学 钙钛矿量子点 微透镜阵列 发光效率 疏水性 中国激光
2021, 48(13): 1313001
