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表面的方法。例如，在未来，这种方法可以用于使用于互联网数据传输的光学组件更加高效和紧凑。

最近几周再次证明了基于光的技术对我们社会的重要性。借助互联网，数百万人可以远程工作、进入虚拟教室或与亲朋好友交谈。反过来，互联网的力量归功于无数的光脉冲，大量的数据通过光纤发送到全球。

为了引导和控制这些光脉冲，采用了各种技术。最古老和最重要的一种是衍射光栅，它可以在精确确定的方向上偏转不同颜色的光。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，使其适用于当今要求严苛的应用。在苏黎世联邦理工学院，由机械与工艺工程系教授 David Norris 领导的一组研究人员开发了一种全新的方法，可以生产更高效、更精确的衍射光栅。他们与现在乌得勒支大学的同事和 Heidelberg Instruments Nano 公司一起完成了这项工作，该公司是作为 ETH 的衍生产品 SwissLitho 成立的。研究人员在科学杂志《自然》上发表了这一结果。

通过凹槽干涉

衍射光栅基于干涉原理。当光波撞击有凹槽的表面时，它会被分成许多更小的波，每一个都从一个单独的凹槽发出。当这些波离开表面时，它们可以加在一起或相互抵消，这取决于它们传播的方向和它们的波长(与它们的颜色有关)。这就解释了为什么 CD 的表面(其上的数据存储在微小的凹槽中)在被白光照射时会产生彩虹般的反射颜色。

为了让衍射光栅正常工作，它的凹槽需要有类似于光波长的间隔，大约一微米——比人类头发的宽度小一百倍。“传统上，这些凹槽是使用微电子行业的制造技术蚀刻到材料表面的，”诺兰·拉萨林 (Nolan Lassaline) 博士说。Norris 小组的学生和该研究的第一作者。“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，我们应该有光滑和波浪形图案的凹槽，就像湖上的涟漪一样。” 因此，用传统方法制作的凹槽只能是粗略的近似值，这反过来意味着衍射光栅将不太有效地引导光。

使用热探针进行表面图案化

他们的方法基于同样起源于苏黎世的技术。“我们的方法是扫描隧道显微镜的曾孙，该显微镜由 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 于近 40 年前发明，他们后来因他们的工作获得了诺贝尔奖，”诺里斯说。在这样的显微镜中，材料表面由高分辨率探头的尖端扫描。这种扫描产生的图像甚至可以显示材料的单个原子。

然而，相反，人们也可以使用锋利的尖端对材料进行图案化，从而产生波浪形表面。为此，研究人员将扫描探针的尖端加热到近 1000 摄氏度，并将其压入聚合物表面的某些位置。这会导致聚合物分子在这些位置分解和蒸发，从而可以精确雕刻表面。通过这种方式，科学家们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。然后可以将银层与聚合物分离并用作反射衍射光栅。

“这使我们能够在银层中以只有几个原子距离的精度生产任意形状的衍射光栅，”诺里斯说。与传统的方形凹槽不同，这种光栅不再是近似的，而是几乎完美的，并且可以通过反射光波的干涉产生精确可控的图案来成形。

多种应用

诺里斯说，这种完美的光栅为控制光提供了新的可能性，该技术具有广泛的应用：“例如，可以使用新技术将微小的衍射光栅构建到集成电路中，从而可以向互联网发送光信号，更有效地接收和路由。” Lassaline 补充说：“通常，我们可以使用这种衍射 光栅来制造高度微型化的光学设备，例如片上微型激光器。”他说，这些微型化设备的范围从超薄相机镜头到具有更清晰图像的紧凑型全息图。它们有望对未来智能手机相机等光学技术产生广泛影响，生物传感器，或机器人和自动驾驶汽车的自主视觉。”