研究背景
光柵和全息圖是通過微納結構表面的衍射來對光信號進行調制的。盡管這種作用方式歷史悠久，但人們一直在相關領域不斷的探索，以發展功能更為強大的應用。進一步的發展可以基于傅立葉光學來設計、構筑傅里葉面的微納結構，以生成所需的衍射輸出信號。在這種策略中，需要能夠地調制波前，理想的樣品表面輪廓應該包含正弦波的總和，每個正弦波具有明確的幅度，頻率和相位。但是由于技術的局限，通常只能制備有幾個深度別輪廓，無法獲得復雜的連續“波浪”表面，從而限制了使用簡單的數學設計而實現復雜的衍射光學效果。
研究亮點
針對以上問題，蘇黎世聯邦理工的Nolan Lassaline博士等人，提出了一種簡單而有效的方法來解決設計和制備間的差距，制備了任意數量的正弦波組成的光學表面。Nolan Lassaline等人使用掃描熱探針t-SPL技術與模板法相結合的策略，制備了周期性和非周期性的光學表面結構。多元線性光柵允許利用傅里葉光譜工程調控光信號。同時，Nolan Lassaline等人克服了先前光子學實驗的限制，制備了可以在同一入射角同時耦合紅色，綠色和藍色光的超薄光柵。更廣泛地，Nolan Lassaline等人還分析設計并且復制了復雜的二維莫爾條紋，準晶體和全息圖結構，展示了多種以前無法制備的衍射表面。Nolan Lassaline等人制備任意3D表面的方法，將為光學設備（生物傳感器，激光器，超表面和調制器）以及光子學的新興區域（拓撲結構，轉換光學器件和半導體谷電子學）帶來新的機遇。
圖1 一維調制傅里葉曲面實際效果圖
圖2 二維調制傅里葉曲面實際效果圖
圖3 周期性及準周期性傅里葉表面圖案
圖4 傅里葉表面的應用
高精度三維刻寫技術之于本工作的重要意義
蘇黎世聯邦理工的Nolan Lassaline博士使用NanoFrazor的高精度3D功能制備了一些特的3D表面傅里葉光柵，對光波進行調控，有選擇地透射或者反射選定波長的光信號，使得光柵只和選定波長的光信號相互作用。這樣就可以通過簡單的數學模型計算和相關波長相互作用的傅里葉光柵來調控實現的光波輸出。
以前還沒有可以完全控制每個傅里葉光波成分和光柵相互作用的好方法。一些實驗嘗試使用超表面，或者波浪形表面光柵，但是由于微納制備技術的限制，（只能使用灰度光刻實現2階或者多階深度的表面光柵，或者使用激光干涉光刻制備類似傅里葉波形表面）不能實現對相互作用波長的完全選擇。
設計或者制備不的表面會和多個波長相互作用降低有用信號的成分并增加系統的復雜性。
有鑒于高精度3D納米直寫之于本工作的重要意義，NanoFrazor的高銷售工程師Wu博士特別與作者Nolan Lassaline博士進行了制備工藝方面的探討和交流，其中Nolan Lassaline博士對于NanoFrazor 3D納米結構高速直寫機的評價如下：
“In the field of diffractive optics, it has been known for a long time that wavy surface patterns would be ideal for manipulating light. However, due to the limitations of traditional fabrication techniques, it has not been possible to fabricate surfaces with arbitrary wavy profiles. This has ultimately limited the capabilities of diffractive optics, stimulating decades of research aimed at solving this problem. To overcome this limitation, we took advantage of the unique 3D patterning capabilities offered by the NanoFrazor. Amazingly, this allowed us to fabricate wavy metallic diffractive surfaces with an error of only 1.8 nm. We used this remarkable precision to fabricate a variety of previously impossible diffractive surfaces that show promise for both fundamental optics research and practical applications in photonics. We envision that this approach, made possible only by the NanoFrazor, will lead to advanced optical devices of the future. Beyond diffractive optics, these novel 3D surfaces open up many exciting possibilities for science and engineering across a number of different fields.”（大意：在衍射光學領域，很久以來人們就知道用波浪狀的表面操縱調控光信號是理想的。然而，由于傳統納米制備技術的局限，不能制備出由任意正弦波形組合輪廓的表面。這終限制了衍射光學器件的功能，也激發了數十年來旨在解決這一問題的科研。我們利用NanoFrazor提供的特3D圖案化功能終于突破了這一限制。更為驚訝的是，我們能夠制備任意波浪形的金屬衍射表面，波形誤差與設計波形僅為1.8 nm。我們利用NanoFrazor非凡的高精度制備出了各種以前無法實現的衍射表面，有望更深入地探討基礎光學研究和光子學實際應用的許多課題。我們可以預想，NanoFrazor的加工方法將改革未來先進光學器件的制備。除了衍射光學領域之外，這些新穎制備的3D波浪狀表面還將開啟科學和工程學許多不同研究領域的令人興奮的新課題。）
圖5 傅里葉表面的設計與制備
關于本文當中傅里葉表面的設計及制備流程：
A傅里葉表面的設計：
先將所要制備的表面輪廓的數學表達公式（這里是在一維的正弦曲線）轉換為灰度位圖。圖中每個像素為10 nm×10 nm，其深度別介于0和255（8位）之間。位圖在白色邊框內的水平方向上為正弦函數，而垂直方向不變。位圖中，白色邊框中的像素設置為小深度別。
B銀基傅里葉表面的制備工藝流程：
?。?）利用熱掃描探針在聚合物抗刻蝕劑層中刻寫設計好的納米結構；
?。?）利用熱蒸發工藝在刻寫后的聚合物表面沉積銀，厚度大于500nm；
?。?）利用紫外光固化環氧樹脂將顯微鏡載玻片固定于銀層背面；
?。?）將玻片/環氧樹脂/銀堆疊結構剝離下來，從而完成制備
C通過模板制備得到的銀基傅里葉表面。
文章作者Nolan Lassaline關于本工作的講解視頻請移步至Quantum Design中國子公司官網（https://qd-china.com/zh/news/detail/2009281332211）觀看。
關于本工作的更多詳細信息，可參考如下信息：
?。?）Nolan Lassaline博士的視頻介紹資料：https://www.youtube.com/watch?v=moGtRjjhbPk
相關產品：
3D納米結構高速直寫機-NanoFrazor Explore：http://www.dongsenyule.com/product/20160315805.shtml
