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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)光子晶體課題組長期聚焦光子晶體等微納光子材料的光場調(diào)控研究和針對微納材料和器件的先進(jìn)光學(xué)量檢測技術(shù)的開發(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、成果簡介當(dāng)今，光，作為幾乎所有遠(yuǎn)程探測的手段和信息傳播的媒介，對光的多維度測量分析和自由調(diào)控，既直接關(guān)系到未來信息收集、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家核心技術(shù)的競爭力息息相關(guān)。復(fù)旦大學(xué)光子晶體課題組長期聚焦光子晶體等微納光子材料的光場調(diào)控研究和針對微納材料和器件的先進(jìn)光學(xué)量檢測技術(shù)的開發(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)光譜測量思路，提出了從動(dòng)量空間視角量檢測微納光子器件光學(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)了在光波長尺寸內(nèi)40毫弧度的相位測量精度。同時(shí)，建立了適合于動(dòng)量空間成像測量技術(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)的測量。 ④光學(xué)量測中國解決方案：處于芯片產(chǎn)業(yè)上游的微納制程光學(xué)量測環(huán)節(jié)，是芯片良品率控制的關(guān)鍵。在此關(guān)鍵領(lǐng)域，我國遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際先進(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)化了量測逆問題中測量噪音帶來的病態(tài)問題。 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，并成為發(fā)現(xiàn)新光場調(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，提出了動(dòng)量空間中光場調(diào)控的新思路，開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幾何中心，因此不需光學(xué)對準(zhǔn)，具有應(yīng)用價(jià)值，成果被評為2020年度中國光學(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?為題對團(tuán)隊(duì)工作進(jìn)行專題報(bào)道，給予高度評價(jià)。在技術(shù)突破方面： ①在國際上首次實(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，提供了一系列產(chǎn)業(yè)問題的分析解決方案，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)系逆向量測微納結(jié)構(gòu)納米精度的三維形貌等。實(shí)測結(jié)果達(dá)到亞納米分辨穩(wěn)定性和98%以上的置信度，測量膜厚與計(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PCT國際專利2項(xiàng)。

復(fù)旦大學(xué) 2022-08-15

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