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光学微球增强技术:显微技术和微纳加工的新方向

1、衍射极限——光学技术的桎梏
      
      从人类对微观世界的探索开始,衍射极限一直是光学研究中一个绕不开的核心问题。长期以来,衍射极限大大限制了微纳光学的发展进程,因为它从根本上限制了绝大多数纯光学显微技术的分辨率。另一方面,衍射极限也是光学加工中的一大挑战。无论是表面加工技术、激光直写,还是光刻技术,其分辨率都受到衍射极限的影响。




光学微球是挑战衍射极限的一项重要尝试。光学微球能够突破传统光学器件对光的调制极限,提供了一种全新的构建微纳光学系统的思路。这项技术的诞生可以追溯到2000年,从那以后,全球各地的数十个科学团队都投身于这项技术的研究之中。新加坡国立大学的洪明辉院士团队总结了该领域的各项核心突破、关键技术,以及发展历程。相关的综述文章发表于Applied Physics Reviews( 2019年第6期,文章编号021304)。
      
      2、光学微球的增强效应是如何发现的
      
      由微观世界到浩瀚星宇,球形光学器件在人类文明的探索之路上一直都扮演着重要的角色。但光学微球的增强效应,直到千禧年左右才被科学家发现。在早期的一系列激光清洗的实验中,科学家尝试用激光来清洗硅片上的一些圆形附着物。试验过后,科学家惊讶地发现这些圆形附着物下面竟然产生了很多微纳米尺度的小孔。而这些小孔的尺寸最小可以突破100 纳米。
      
      随后的一系列研究证明,这些小孔的产生源于圆形附着物对于光的聚焦效应。这种聚焦效应可以轻易地突破经典的衍射极限理论所限制的尺度。这些圆形附着物,其实就是光学微球。而这项源于激光清洗的发现,就像是在密不透风的理论极限上面打破了一个孔,涌出了对新兴技术的无尽灵感和畅想。
      
      3、光学微球提高微纳加工的精度
      
      光学微球立即被科学家们应用于各种微纳加工技术,各种新的尝试层出不穷。起初科学家们通过自组装技术,将小球散布在样品表面。通过一次激光照射,就可以加工出成千上万个微孔。通过连续改变光照方向,不同的图案也能够在微球的周围被加工出来。
      
      随着技术的推进,科学家们也找到了很多控制微球的方法,比如用光镊技术控制一个微球,使其可以像笔尖一样在样品表面自由地“书写”。随着技术的演进,一整个小球的阵列可以被加工在一种特殊的透镜之上。这种微透镜阵列技术,能够一次性地对一整个样品表面进行加工,大大提高了微纳加工技术的速度和精度。
      
      4、光学微球提高光学显微镜分辨率
      
      “光路是可逆的”,除了用于微纳加工技术,光学微球也被证明可以提高绝大多数显微镜的分辨率,而这是评价显微镜的一项最为重要的指标。在科学史上,很多提高分辨率的技术被视为重要的科学贡献,相关技术也不止一次获得过诺贝尔奖。在科学家们的努力下,光学微球被证明可以把传统光学显微镜的分辨率提高十倍,可以分辨出最小20纳米左右的微纳结构。和其他显微技术相比,光学微球不受限于具体的环境,不需要对样品进行预处理,广泛适用于无机或有机的所有样品,能够一次性对相对大范围样品表面进行观测,不对样品造成改性或破坏,没有污染,也支持空气/水/油/生物体内环境的实时成像。
      
      其中,发表于Opto-Electronic Advances(Opto-Electron Adv 1, 170001 (2018))的一项突破性成果,还报道了一种最适合广泛应用的非接触式显微成像方法,有望推进现有显微镜技术跨入下一个时代。显微镜技术对于生物医药、医学治疗、科学研究、高端生产,都有着不可替代的作用。



洪明辉院士,新加坡国立大学终身正教授,新加坡工程院院士,激光光学领域的著名学者和领军人物,曾担任新加坡国立大学工学院助理院长,长期从事激光微纳加工及检测技术研究。在Nature及其子刊, Chemical Reviews, Nano Letters,Advanced Materials,ACS Nano等国际一流学术刊物发表论文400余篇,合著15部专著;现为美国光学学会会士(OSA Fellow)、国际光学工程学会会士(SPIE Fellow)以及国际光子和激光工程学会会士(IAPLE Fellow)和副主席。担任《光电工程》和Opto-Electronic Advances的执行主编,同时担任Light: Science & Applications,Scientific Reports,Journal of Laser Micro/nanoengineering,《中国科学: 物理学力学天文学》等高水平学术期刊编辑。
      本文来源:光电期刊
      原文引自“两江科技评论”微信公众号。
      原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/9D2OBY_TNAvBooHPAf5UIg
      
      上海复享光学股份有限公司(简称:复享光学)诞生于中国的高校实验室,是一家高科技型光谱仪器公司。公司为科学家和工程师提供光谱产品、系统、服务。“让光谱简单"是公司发展理念,“光谱改变生活”是公司的愿景。
      公司专注光谱仪器发展超过八年,获得国家高新技术企业资质,于2016年登陆新三板(NEEQ:838781)。公司位于复旦大学科技创业园,目前拥有约40名高学历工程师。公司官网:www.ideaoptics.com