北理工團隊在全息光刻微納制造領(lǐng)域取得重要進展
發(fā)布日期：2025-05-30 供稿：光電學院 攝影：光電學院
編輯：盛筠 審核：李家方 閱讀次數(shù)：
微納光柵是一種可以對入射光場的振幅、波長、位相和偏振進行調(diào)制的微納光學結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復雜程度遠低于超表面，在傳感器、光通信、極弱光成像和光學偏振等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。然而，傳統(tǒng)光刻制造方法因其高昂的制造成本和復雜的工藝要求限制了微納光柵大規(guī)模的生產(chǎn)及應用。針對傳統(tǒng)制造方法中成本高、工藝復雜等問題，康果果、王嶺雪科研團隊基于全息光刻的新型無掩模工藝取得重要進展，成功研制出低成本、高性能的金屬納米光柵，并在可穿戴傳感、短波紅外偏振成像進行了驗證，相關(guān)論文陸續(xù)發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces和Optics and Laser Technology國際頂級期刊。
圖1.傳感器貼附在人體皮膚上進行測試
可穿戴折射率傳感器（ACS AMI 2025）：傳統(tǒng)等離子體傳感器多基于剛性基板如硅、玻璃，難以與人體曲面貼合，限制了其在可穿戴設(shè)備中的應用。通過激光干涉光刻技術(shù)，研究團隊在PET基板上制備了高均勻性的銀光柵，工藝簡單、成本低，且能夠大規(guī)模生產(chǎn)。此外，成功將共振線寬壓縮至6.9 nm，提升了其靈敏度和性能因子。該傳感器在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，即使在上百次彎曲、拉伸和液體浸泡等條件下，線寬變化小于3.6 nm，靈敏度波動小于1.3%。結(jié)合便攜光纖光譜儀，開發(fā)的便攜式檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)毫秒級響應、無需實驗室環(huán)境即可實時檢測。結(jié)合微流控技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種溶液的動態(tài)監(jiān)測，為連續(xù)環(huán)境監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。該創(chuàng)新設(shè)計為可穿戴傳感器技術(shù)帶來了重要進展，具備廣泛的應用潛力，特別是在醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測和智能交互等領(lǐng)域，未來有望與智能手機等消費級設(shè)備結(jié)合，推動實驗室級精度向消費級設(shè)備轉(zhuǎn)化（圖1）。
圖2 .金屬線柵偏振片的測試結(jié)果與實物圖
短波紅外金屬線柵偏振片（OLT 2025）：金屬線柵是一種非共振型光柵，它的消光比主要和光柵的周期成反比和金屬層的高度成正比。傳統(tǒng)金屬線柵主要由電子束光刻和離子束刻蝕的方法制作而來，這種方法不僅制作工藝復雜、成本高而且無法制作較高的光柵層而難以實現(xiàn)較高的消光比。為解決這一問題，研究團隊研究了免刻蝕的工藝方法，采用全息光刻與傾斜蒸鍍金屬薄膜兩個步驟制作了金屬線柵偏振片，不僅降低了紅外金屬線柵偏振片的制作難度和制作成本，而且實現(xiàn)了較高的金屬柵層，大幅提升了消光比。最終制作的金屬線柵偏振片在1 2.5 μm的平均消光比達到40 dB(TTM:TTE=10000:1)（圖2）。
該系列研究成果為微納光柵的規(guī)模化生產(chǎn)與應用提供了新的解決方案。通過降低制作成本并簡化工藝，不僅打破了微納光柵“高性能”與“低成本”難以兼得的難題，更推動了柔性光子器件與紅外光學元件領(lǐng)域的技術(shù)進步，特別是在醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測和紅外偏振等多個領(lǐng)域的應用前景廣闊。
相關(guān)成果論文信息：
[1] Chai et al., Low-Cost, High-Performance Refractive Index Sensing with Ultranarrow Resonance Line Width for Wearable Sensing, ACS Appl. Mater. Interfaces 2025.
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c07507
[2] Liu et al., A low-cost wire grid polarizer with an average extinction ratio of 40 dB in SWIR range realized by oblique angled deposition, Optics & Laser Technology, 2025, 189: 113099.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113099
主要作者信息：
劉興偉，北京理工大學光電學院2022級博士研究生，主要研究方向為微納光學器件的設(shè)計與加工，在Optics and Laser Technology等頂級期刊上發(fā)表論文2篇。
柴晉淵，北京理工大學光電學院2022級碩士研究生，主要研究方向為柔性光子傳感器。在ACS Applied Materials & Interfaces等頂級期刊發(fā)表論文2篇。
康果果，工學博士，副教授，博士生導師。從事微納光學、全息光刻、全息測量相關(guān)的教學和科研工作，主要研究方向包括功能性微納光學器件的設(shè)計、制作及應用、全息光刻、復雜曲面光學測量。主持包括國家自然科學基金面上、青年在內(nèi)的科研項目30余項。在包括《Applied Physics Letters》《Optics Letters》《ACS Applied Materials & Interfaces》在內(nèi)的國際知名期刊上發(fā)表學術(shù)論文80余篇，多次受邀在國際、國內(nèi)會議上作特邀報告。
王嶺雪，工學博士，副教授，碩士生導師。從事光電成像器件、圖像處理相關(guān)的教學和科研工作，主要研究方向包括極弱光探測成像器件、光電成像系統(tǒng)總體、光電圖像處理。主持國家自然科學基金、教育部博士點基金新教師項目等科研課題，曾獲省部級科技一等獎1項、省部級科技進步三等獎2項等，在ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Pattern Recognition, Carbon, Advanced Optical Materials, Neurocomputing, Optics Express等期刊發(fā)表論文，共發(fā)表SCI、EI和核心期刊論文近百篇，申請和授權(quán)國家發(fā)明專利20余項。入選教育部課程思政示范課程及教學名師與教學團隊、工信部工程碩博士特色優(yōu)質(zhì)課程。
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