動(dòng)量空間成像光譜設(shè)備的研制與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用
復(fù)旦大學(xué)光子晶體課題組長(zhǎng)期聚焦光子晶體等微納光子材料的光場(chǎng)調(diào)控研究和針對(duì)微納材料和器件的先進(jìn)光學(xué)量檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,與上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司合作在基礎(chǔ)創(chuàng)新、技術(shù)突破和產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化方面取得了一系列成果。
一、項(xiàng)目分類
顯著效益成果轉(zhuǎn)化
二、成果簡(jiǎn)介
當(dāng)今,光,作為幾乎所有遠(yuǎn)程探測(cè)的手段和信息傳播的媒介,對(duì)光的多維度測(cè)量分析和自由調(diào)控,既直接關(guān)系到未來(lái)信息收集、處理和傳輸?shù)撵`敏度和速率,也與先進(jìn)微納制造的精度、效率和能耗等諸多國(guó)家核心技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力息息相關(guān)。
復(fù)旦大學(xué)光子晶體課題組長(zhǎng)期聚焦光子晶體等微納光子材料的光場(chǎng)調(diào)控研究和針對(duì)微納材料和器件的先進(jìn)光學(xué)量檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,與上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司合作在基礎(chǔ)創(chuàng)新、技術(shù)突破和產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化方面取得了一系列成果。
在基礎(chǔ)創(chuàng)新方面:
①動(dòng)量空間光學(xué)測(cè)量思想:光與微納結(jié)構(gòu)的相互作用遵循頻率-動(dòng)量色散關(guān)系,也被稱為光子能帶。在原理上,類似于半導(dǎo)體利用其電子能帶操控電子,光子晶體等微納光子材料也可以通過(guò)光子能帶操控光。而光子能帶的本質(zhì)存在于動(dòng)量空間。相比于已經(jīng)商業(yè)化的可探測(cè)固體材料動(dòng)量空間中復(fù)雜電子能帶的多維度角分辨光電子能譜設(shè)備,針對(duì)光子晶體等光子材料動(dòng)量空間中光子能帶的多維度光譜測(cè)量技術(shù)和設(shè)備在全世界尚屬空白,亟需發(fā)展。團(tuán)隊(duì)突破了傳統(tǒng)光譜測(cè)量思路,提出了從動(dòng)量空間視角量檢測(cè)微納光子器件光學(xué)性能的思想。
②適合微納尺寸器件的動(dòng)量空間成像技術(shù):微納尺寸的測(cè)量依賴顯微鏡。但顯微技術(shù)在追求實(shí)空間分辨率的同時(shí)喪失了動(dòng)量空間的分辨能力。此成果將傅里葉光學(xué)技術(shù)與顯微技術(shù)相融合,解決了動(dòng)量空間成像的像差和色差問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了實(shí)空間和動(dòng)量空間的雙高分辨率。
③多維度光學(xué)信息提取:相位和偏振態(tài)是可供光子器件信息調(diào)制的新自由度。團(tuán)隊(duì)將時(shí)域外差干涉技術(shù)延拓到具有顯微分辨能力的動(dòng)量空間外插干涉技術(shù),單次成像實(shí)現(xiàn)了在光波長(zhǎng)尺寸內(nèi)40毫弧度的相位測(cè)量精度。同時(shí),建立了適合于動(dòng)量空間成像測(cè)量技術(shù)的耦合模理論,實(shí)現(xiàn)了在非相干的白光照明下任意橢圓偏振態(tài)的測(cè)量。
④光學(xué)量測(cè)中國(guó)解決方案:處于芯片產(chǎn)業(yè)上游的微納制程光學(xué)量測(cè)環(huán)節(jié),是芯片良品率控制的關(guān)鍵。在此關(guān)鍵領(lǐng)域,我國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平。動(dòng)量空間成像光譜技術(shù)所采集的多維度光譜信息富含微納結(jié)構(gòu)的三維形貌信息。團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了基于動(dòng)量空間成像光譜技術(shù)的全新光學(xué)微納制程量測(cè)新原理和新技術(shù)。該原理利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑了微納米尺度結(jié)構(gòu)與動(dòng)量空間色散的構(gòu)效關(guān)系和映射。同時(shí),由于在所測(cè)量的色散關(guān)系中包含了冗余的結(jié)構(gòu)信息,因此在實(shí)際技術(shù)應(yīng)用中極大優(yōu)化了量測(cè)逆問(wèn)題中測(cè)量噪音帶來(lái)的病態(tài)問(wèn)題。
⑤相關(guān)成果:團(tuán)隊(duì)以通訊作者發(fā)表1篇Nat.Photon.,1篇Nat.Commun.,3篇PRL,4篇Light:Sci.&Appl.,1篇Sci.Bull.,1篇Light:Advanced Manufacturing等國(guó)內(nèi)外高水平期刊論文。動(dòng)量空間成像光譜技術(shù)使動(dòng)量空間得以被直接實(shí)驗(yàn)觀測(cè),并成為發(fā)現(xiàn)新光場(chǎng)調(diào)控機(jī)制的眼睛。團(tuán)隊(duì)利用此技術(shù)首次實(shí)驗(yàn)揭示了動(dòng)量空間中存在具有拓?fù)淦纥c(diǎn)的偏振場(chǎng),提出了動(dòng)量空間中光場(chǎng)調(diào)控的新思路,開(kāi)辟了光子晶體在全偏振態(tài)、渦旋光束生成和光束位移操控方面的新應(yīng)用。由于周期性光子晶體無(wú)幾何中心,因此不需光學(xué)對(duì)準(zhǔn),具有應(yīng)用價(jià)值,成果被評(píng)為2020年度中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展,入選ISI高被引論文。日本NTT首席科學(xué)家Notomi在Nat.Photon.上以"動(dòng)量空間中的拓?fù)涑烧?為題對(duì)團(tuán)隊(duì)工作進(jìn)行專題報(bào)道,給予高度評(píng)價(jià)。
在技術(shù)突破方面:
①在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了廣譜符合阿貝正弦關(guān)系的動(dòng)量空間成像光譜設(shè)備。其中動(dòng)量分辨率小于1.7毫弧度,實(shí)空間分辨率小于600納米,相位分辨率小于40毫弧度,最大偏振度誤差小于1%,波長(zhǎng)分辨率小于0.1納米。
②結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求和動(dòng)量空間成像光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì),提供了一系列產(chǎn)業(yè)問(wèn)題的分析解決方案,包括利用動(dòng)量空間偏振依賴的輻射分布量測(cè)發(fā)光分子三維取向分布和利用動(dòng)量空間光子色散關(guān)系逆向量測(cè)微納結(jié)構(gòu)納米精度的三維形貌等。實(shí)測(cè)結(jié)果達(dá)到亞納米分辨穩(wěn)定性和98%以上的置信度,測(cè)量膜厚與計(jì)量認(rèn)證厚度差異小于5埃。
③相關(guān)成果授權(quán)發(fā)明專利9項(xiàng),在申請(qǐng)PCT國(guó)際專利2項(xiàng)。
復(fù)旦大學(xué)
2022-08-15