作者:苏黎世联邦理工学院奥利弗·莫什 用热扫描探针制作衍射光栅
红线表示光栅的表面轮廓
信用:苏黎世联邦理工学院/诺兰·拉萨林 苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种生产纳米精度波浪形表面的方法
例如，在未来，这种方法可以用来使在互联网上传输数据的光学元件更加有效和紧凑
最近几周，基于光的技术对我们社会的重要性再次得到了证明
多亏了互联网，数百万人可以远程工作，进入虚拟教室，或者与朋友和亲戚交谈
反过来，互联网的力量来自无数光脉冲，通过光纤将大量数据传送到全球各地
为了操纵和控制这些光脉冲，采用了各种技术
最古老也是最重要的一种是衍射光栅，它能将不同颜色的光偏转到精确确定的方向
几十年来，科学家们一直在努力改进衍射光栅的设计和生产，以使它们适合今天的苛刻应用
在苏黎世联邦理工学院，由机械与过程工程系教授戴维·诺里斯领导的一组研究人员开发了一种全新的方法，通过这种方法可以制造出更高效、更精确的衍射光栅
他们与现在在乌得勒支大学的同事和海德堡仪器纳米公司一起做了这件事，该公司是作为瑞士联邦理工学院的副产品成立的
研究人员将结果发表在科学杂志《自然》上
在ETH，衍射光栅是通过用热扫描探针对聚合物层(绿色)进行图案化而产生的
然后沉积银层(灰色)，最后用载玻片(蓝色)分离
信用:苏黎世联邦理工学院/诺兰·拉萨林 通过凹槽的干涉 衍射光栅基于干涉原理
当光波到达一个有凹槽的表面时，它被分成许多更小的波，每个波从一个单独的凹槽发出
当这些波离开表面时，它们可以叠加在一起，也可以相互抵消，这取决于它们传播的方向和波长(与它们的颜色有关)
这解释了为什么光盘表面的数据存储在微小的凹槽中，当它被白光照射时，会产生反射颜色的彩虹
要使衍射光栅正常工作，其凹槽需要有一个与光波长相似的间隔，大约为1微米——比人类头发的宽度小100倍
“传统上，这些凹槽是用微电子工业的制造技术蚀刻在材料表面的，”诺兰·拉沙林博士说
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诺里斯小组的学生，该研究的第一作者
然而，这意味着光栅的凹槽在形状上是相当方形的
另一方面，物理学告诉我们，我们应该有光滑的波状图案的凹槽，就像湖面上的波纹
因此，用传统方法制作的凹槽只能是粗略的近似，这就意味着衍射光栅对光的控制效率会降低
通过追求一种全新的方法，诺里斯和他的合作者现在已经找到了解决这个问题的方法
一种具有波状表面的二维衍射光栅，使用ETH技术制作(电子显微镜图像)
信用:苏黎世联邦理工学院/诺兰·拉萨林 用热探针进行表面图案化 他们的方法是基于一项起源于苏黎世的技术
诺里斯说:“我们的方法是扫描隧道显微镜的曾孙，扫描隧道显微镜是格尔德·宾宁和海因里希·罗雷尔在将近40年前发明的，他们后来因为他们的工作获得了诺贝尔奖。”
在这样的显微镜中，材料表面被探针的尖端以高分辨率扫描
这种扫描产生的图像甚至可以显示出一种材料的单个原子
然而，反过来，人们也可以使用锋利的尖端来图案化材料，从而产生波状表面
为此，研究人员将扫描探针的尖端加热到近1000摄氏度，并在特定位置将其压入聚合物表面
这导致聚合物分子在这些位置分解和蒸发，从而使表面得到精确的雕刻
通过这种方式，科学家可以以几纳米的分辨率将几乎任意的表面轮廓逐点写入聚合物层
最后，通过在聚合物上沉积银层，将图案转移到光学材料上
银层然后可以从聚合物上分离，并用作反射衍射光栅
诺里斯说:“这使得我们能够在银层中产生任意形状的衍射光栅，精度仅为几个原子的距离。”
与传统的方形凹槽不同，这种光栅不再是近似的，而是实际上完美的，并且可以以反射光波的干涉产生精确可控图案的方式成形
多种应用 诺里斯说，这种完美的光栅为控制光带来了新的可能性，光有着广泛的应用:“例如，新技术可以用来将微小的衍射光栅制作成集成电路，利用这种集成电路可以更有效地发送、接收和路由互联网的光信号
拉萨林补充说，“一般来说，我们可以使用这种衍射光栅来制造高度小型化的光学器件，如片上微型激光器。”
他说，这些小型化设备从超薄照相机镜头到图像更清晰的紧凑型全息图
它们有望在光学技术方面产生广泛影响，如未来智能手机摄像头、生物传感器或机器人和自动驾驶汽车的自主视觉
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