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人工微納光學結構是指特征尺寸在微米甚至納米級別的一類新型光學器件。相比于傳統的折、反射光學元件，微納光學元件在波面轉換、偏振控制、光學抗反射、表面拉曼散射增強等方面具有許多獨特的光學性能，并由此產生了一系列新的應用，包括：
1. 二元光學元件在波面轉換中的應用
 圖1. (a)二元光學元件用于光束整形 (b)二元光學元件用于復雜曲面干涉檢測
在激光的廣泛應用中,對激光的波面、光強分布、模式及光斑的形狀與大小等提出了多種特殊的要求。例如：在激光加工和熱處理中，為實現一次成型的高效率加工，需要使用形狀各異（矩形、環狀或直線形）的激光光斑；在強激光光學中，對激光光斑的要求極其苛刻，要求微小光斑不均勻性小于5%，衍射效率大于90%，且光斑呈無旁瓣的平頂分布。二元光學元件是基于光波的衍射理論，利用計算機輔助設計，并用微納制作工藝，在片基上刻蝕產生兩個或多個臺階深度的浮雕結構，行成純位相、同軸再現、具有極高衍射效率的一類衍射光學元件，可廣泛用于如圖1. (a)所示的激光光束整形。 在光學系統中采用高設計自由度的復雜曲面，不僅能夠使系統獲得更加優異的光學性能(例如矯正像差、改善像質、擴大視場、增大作用距離等)，而且還能簡化系統結構、降低成本、減輕重量。復雜曲面所具有的多變的面型雖然為光學設計提供了更大的自由度，但同時也給檢測帶來了極大的困難。對于面形精度在亞微米量級的超精密光學自由曲面，目前還沒有一種方法能快速、準確地對其面形做出正確的評價。二元光學元件能夠靈活地產生任意形狀的波面，如圖1. (b)所示，若將其作為補償器放入普通干涉儀，可產生高質量的復雜比較波面，從而實現對光學非球面、自由曲面的高精度干涉檢測。
2. 亞波長光柵在偏振成像中的應用
光(guang)(guang)(guang)(guang)波(bo)(bo)(bo)蘊含的(de)信(xin)息(xi)(xi)十(shi)分豐富，包(bao)括振(zhen)(zhen)(zhen)幅、頻率、相(xiang)位(wei)及(ji)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)。相(xiang)比于前三類信(xin)息(xi)(xi)，偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)信(xin)息(xi)(xi)的(de)利(li)用(yong)(yong)相(xiang)對(dui)(dui)滯(zhi)后。究其原因，主(zhu)要(yao)是因為(wei)(wei)所(suo)(suo)有(you)探測(ce)器(qi)，包(bao)括人眼(yan)，均無(wu)法對(dui)(dui)光(guang)(guang)(guang)(guang)波(bo)(bo)(bo)的(de)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)態(tai)做(zuo)出響應（偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)盲的(de)）。隨著(zhu)光(guang)(guang)(guang)(guang)信(xin)息(xi)(xi)科學的(de)不(bu)斷(duan)發展，對(dui)(dui)光(guang)(guang)(guang)(guang)波(bo)(bo)(bo)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)所(suo)(suo)攜帶信(xin)息(xi)(xi)的(de)挖(wa)掘、利(li)用(yong)(yong)成為(wei)(wei)該(gai)領域的(de)一個研(yan)究熱點(dian)，而利(li)用(yong)(yong)偏(pian)(pian)(pian)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)件準確探測(ce)入射光(guang)(guang)(guang)(guang)波(bo)(bo)(bo)的(de)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)態(tai)是所(suo)(suo)有(you)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)信(xin)息(xi)(xi)利(li)用(yong)(yong)的(de)基礎(chu)。通過研(yan)究發現(xian)：當(dang)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵的(de)周(zhou)(zhou)期小于入射光(guang)(guang)(guang)(guang)波(bo)(bo)(bo)長時(shi)，光(guang)(guang)(guang)(guang)柵將(jiang)對(dui)(dui)入射光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)敏感，而且(qie)這種偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)敏感是由光(guang)(guang)(guang)(guang)柵周(zhou)(zhou)期的(de)亞波(bo)(bo)(bo)長性決(jue)定的(de)，而與所(suo)(suo)選(xuan)材料(liao)是否具有(you)光(guang)(guang)(guang)(guang)學各(ge)向異性無(wu)關。因此，通過在各(ge)向同性材料(liao)上制作亞波(bo)(bo)(bo)長結(jie)構(gou)，可以(yi)將(jiang)該(gai)材料(liao)變(bian)為(wei)(wei)各(ge)向異性，靈活地應用(yong)(yong)于各(ge)光(guang)(guang)(guang)(guang)學波(bo)(bo)(bo)段(duan)。
 圖2 配備多方向深亞波長金屬光柵偏振片的偏振成像系統及其偏振圖像
深(shen)亞波(bo)長納米(mi)金屬光(guang)(guang)柵(zha)(zha)的(de)(de)(de)特(te)征尺寸，包(bao)括周期、縫寬和(he)(he)柵(zha)(zha)層高度，遠小于入射(she)光(guang)(guang)波(bo)長，其特(te)點(dian)是對(dui)入射(she)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)偏振(zhen)態十(shi)分敏感。如(ru)圖(tu)(tu)(tu)(tu)2所示，在(zai)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)熱(re)像儀(yi)中(zhong)，將(jiang)深(shen)亞波(bo)長金屬光(guang)(guang)柵(zha)(zha)的(de)(de)(de)線(xian)柵(zha)(zha)方向做(zuo)(zuo)成(cheng)(cheng)0o、45o、90o、和(he)(he)135o，并按照1：1與(yu)(yu)微(wei)透鏡(jing)陣(zhen)列集(ji)成(cheng)(cheng)，便可(ke)同(tong)時獲得四個偏振(zhen)方向的(de)(de)(de)輻(fu)射(she)信息(xi)，滿(man)足實時偏振(zhen)成(cheng)(cheng)像的(de)(de)(de)要(yao)求。偏振(zhen)成(cheng)(cheng)像在(zai)軍事防(fang)偽(wei)(wei)裝(zhuang)中(zhong)有著重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)應(ying)用：圖(tu)(tu)(tu)(tu)2下(xia)(xia)方三幅(fu)圖(tu)(tu)(tu)(tu)分別(bie)是對(dui)地(di)航(hang)拍的(de)(de)(de)可(ke)見光(guang)(guang)圖(tu)(tu)(tu)(tu)像、紅(hong)(hong)(hong)外(wai)圖(tu)(tu)(tu)(tu)像和(he)(he)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)偏振(zhen)圖(tu)(tu)(tu)(tu)像。從圖(tu)(tu)(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看出：對(dui)于做(zuo)(zuo)了顏色偽(wei)(wei)裝(zhuang)的(de)(de)(de)卡(ka)(ka)車，隱蔽在(zai)樹(shu)蔭下(xia)(xia)的(de)(de)(de)暗背景中(zhong)，可(ke)見光(guang)(guang)圖(tu)(tu)(tu)(tu)像無(wu)法識(shi)別(bie)；卡(ka)(ka)車沒有啟(qi)動，與(yu)(yu)周圍環境不產(chan)生(sheng)熱(re)差，紅(hong)(hong)(hong)外(wai)圖(tu)(tu)(tu)(tu)像也很難識(shi)別(bie)；以(yi)金屬材(cai)料為(wei)主體的(de)(de)(de)卡(ka)(ka)車反(fan)射(she)或(huo)輻(fu)射(she)光(guang)(guang)波(bo)的(de)(de)(de)偏振(zhen)度與(yu)(yu)地(di)物背景反(fan)射(she)或(huo)輻(fu)射(she)光(guang)(guang)波(bo)的(de)(de)(de)偏振(zhen)度具有明(ming)顯的(de)(de)(de)差異，因此在(zai)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)偏振(zhen)圖(tu)(tu)(tu)(tu)像中(zhong)可(ke)以(yi)清楚地(di)觀察到(dao)偽(wei)(wei)裝(zhuang)在(zai)樹(shu)蔭下(xia)(xia)的(de)(de)(de)卡(ka)(ka)車。 3. 反轉偏振光柵在深紫外偏振控制中的應用 受到(dao)微納(na)制作(zuo)(zuo)工藝的(de)限制，適用(yong)于(yu)深(shen)紫(zi)外波段的(de)亞波長偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)柵(zha)因(yin)周(zhou)期過(guo)(guo)小（<20 nm）而(er)無法被實際制作(zuo)(zuo)出來。考慮到(dao)金屬(shu)光(guang)柵(zha)表(biao)面(mian)的(de)SPPs只能由(you)TM偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)而(er)無法用(yong)TE偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)激發，我們通過(guo)(guo)反復優化光(guang)柵(zha)結構參數(shu)，設計并制作(zuo)(zuo)了一周(zhou)期略(lve)小于(yu)深(shen)紫(zi)外波長的(de)金屬(shu)鋁柵(zha)（圖3. a），TM光(guang)會因(yin)SPPs共(gong)振(zhen)(zhen)被鋁柵(zha)表(biao)面(mian)吸(xi)收和(he)反射(she)，而(er)TE光(guang)則(ze)因(yin)導波模(mo)共(gong)振(zhen)(zhen)發生(sheng)透(tou)(tou)射(she)，從而(er)在(zai)深(shen)紫(zi)外波段首次實現反轉偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)透(tou)(tou)射(she)。隨后，我們利用(yong)ALD在(zai)光(guang)柵(zha)縫中(zhong)共(gong)形填充了襯底介(jie)質-SiO2（圖3. b），通過(guo)(guo)增(zeng)強導波模(mo)共(gong)振(zhen)(zhen)使TE光(guang)的(de)平均透(tou)(tou)過(guo)(guo)率提高了40%（圖3. c，d）。
 圖3. 深紫外波段反轉偏振光柵及其偏振透過率 4. 納米“金字塔”結構在光學抗反射中的應用
 圖4. 黑硅實物圖及其局部電鏡掃描圖
光學反射是光波傳播到不同媒質界面時所發生的一種普遍光學現象。反射光的強弱由界面兩側媒質折射率的差異大小決定：折射率差別越大，反射越強；反之，越弱。在一些具體應用中，包括太陽能電池、紅外與微光夜視系統等，需要降低界面光學反射（抗反）以提高光能、光信息的利用率。如圖4所示，“金字塔”是一個典型的椎體結構，若將其尺寸縮小到納米尺度并以面陣形式制作到界面上，光波經過該“金字塔”陣列時，等效為穿過一層折射率漸變的薄膜，在界面的菲涅爾反射將被極大削弱。 5. 基于表面拉曼散射增強(SERS)的單分子探測
 圖5. 三維納米金屬柱電鏡掃描圖、局部放大圖及利用該納米柱獲得的分子拉曼光譜
光與分子相互作用，會發生透射、反射、散射等物理過程。散射光中的拉曼散射信號攜帶了豐富的分子組分、結構等信息，被廣泛應用于分子探測。相比于透、反射和瑞利散射，分子的拉曼散射信號十分微弱，因此如何增強拉曼信號一直是SERS領域的研究主線。為了有效利用入射光能量，可采用如圖5所示的三維金屬納米柱結構：入射光以駐波的形式整齊地局限在納米柱縫間，金屬納米縫的局限產生了強烈的電場增強，當單分子經過這些強場區域時，通過捕捉增強拉曼散射信號，我們可以實現對單分子的探測。 6. 光柵單元陣列在勻光和LED及準分子激光整形的應用
 圖6. SEM觀察到的光柵單元陣列及其光線追跡成像
微光學照明系統中會要求對照明光束的強度分布進行處理，包括在信息顯示，測量系統，室內照明，自動化，軍事，光刻等領域中，常常會有針對LED和準分子激光勻光和整形的需求。光柵單元陣列如圖6，由一系列矩形單元組成，每個單元都起到一個線性相位的作用，將光束偏折到目標平面的特定位置上，而偏折方向的控制則由光柵的周期及刻線角度控制，分辨率則有單元的尺寸決定，這種元件通過設計可產生任意2D圖案，并且可以針對復色光或白光來設計出適合微光學照明系統的光柵單元陣列。 7. 傾斜光柵(Slanted grating)在增強現實(Augmented reality, AR)設備中的應用 傾(qing)(qing)斜光(guang)(guang)(guang)(guang)柵作為(wei)(wei)優(you)質光(guang)(guang)(guang)(guang)耦(ou)合(he)(he)器用于AR頭盔，在保證高耦(ou)合(he)(he)效(xiao)率的前提下，能(neng)有(you)效(xiao)減小頭盔體積。如圖7所示，微(wei)軟公司推(tui)出的Hololens AR頭盔即是采用傾(qing)(qing)斜光(guang)(guang)(guang)(guang)柵作為(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)學耦(ou)合(he)(he)器：由(you)微(wei)顯示器發出的信(xin)號光(guang)(guang)(guang)(guang)，首(shou)先經傾(qing)(qing)斜光(guang)(guang)(guang)(guang)柵耦(ou)合(he)(he)進入平板波(bo)導，信(xin)號光(guang)(guang)(guang)(guang)在波(bo)導中以(yi)全反射(she)的形式向兩端(duan)傳播，再經兩端(duan)的傾(qing)(qing)斜光(guang)(guang)(guang)(guang)柵耦(ou)合(he)(he)出波(bo)導，由(you)人眼(yan)接收(shou)。制作具有(you)大深寬比(bi)的傾(qing)(qing)斜光(guang)(guang)(guang)(guang)柵需(xu)要采用電子束曝光(guang)(guang)(guang)(guang)、傾(qing)(qing)斜干法刻(ke)蝕等工藝手(shou)段。
部分微納制作設備：
1. 真空鍍膜
多模塊（磁控濺射、電子束蒸發、熱蒸發）鍍膜系統，Kurt J. Lesker Lab 18；實現各種金屬和介質的納米級鍍膜。
2. 電子束曝光
電子束曝光系統，Vistec Electron Beam；實現10 nm線寬的掩模制作。
3. 反應離子刻蝕
反應離子刻蝕系統，Oxford Plasmalab；將掩模圖案向金屬或介質轉移。
4. 原子層鍍
原子層鍍系統，Beneq TFS ALD；以原子層厚度實現高精度共形鍍膜。
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