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光學微球增強技術：顯微技術和微納加工的新方向
1、衍射極限——光學技術的桎梏
從人類對微觀世界的探索開始，衍射極限一直是光學研究中一個繞不開的核心問題。長期以來，衍射極限大大限制了微納光學的發(fā)展進程，因為它從根本上限制了絕大多數純光學顯微技術的分辨率。另一方面，衍射極限也是光學加工中的一大挑戰(zhàn)。無論是表面加工技術、激光直寫，還是光刻技術，其分辨率都受到衍射極限的影響。
光學微球是挑戰(zhàn)衍射極限的一項重要嘗試。光學微球能夠突破傳統光學器件對光的調制極限，提供了一種全新的構建微納光學系統的思路。這項技術的誕生可以追溯到2000年，從那以后，各地的數十個科學團隊都投身于這項技術的研究之中。新加坡國立大學的洪明輝院士團隊總結了該領域的各項核心突破、關鍵技術，以及發(fā)展歷程。相關的綜述文章發(fā)表于Applied Physics Reviews（ 2019年第6期，文章編號021304）。
2、光學微球的增強效應是如何發(fā)現的
由微觀世界到浩瀚星宇，球形光學器件在人類文明的探索之路上一直都扮演著重要的角色。但光學微球的增強效應，直到千禧年左右才被科學家發(fā)現。在早期的一系列激光清洗的實驗中，科學家嘗試用激光來清洗硅片上的一些圓形附著物。試驗過后，科學家驚訝地發(fā)現這些圓形附著物下面竟然產生了很多微納米尺度的小孔。而這些小孔的尺寸小可以突破100 納米。
隨后的一系列研究證明，這些小孔的產生源于圓形附著物對于光的聚焦效應。這種聚焦效應可以輕易地突破經典的衍射極限理論所限制的尺度。這些圓形附著物，其實就是光學微球。而這項源于激光清洗的發(fā)現，就像是在密不透風的理論極限上面打破了一個孔，涌出了對新興技術的無盡靈感和暢想。
3、光學微球提高微納加工的精度
光學微球立即被科學家們應用于各種微納加工技術，各種新的嘗試層出不窮。起初科學家們通過自組裝技術，將小球散布在樣品表面。通過一次激光照射，就可以加工出成千上萬個微孔。通過連續(xù)改變光照方向，不同的圖案也能夠在微球的周圍被加工出來。
隨著技術的推進，科學家們也找到了很多控制微球的方法，比如用光鑷技術控制一個微球，使其可以像筆尖一樣在樣品表面自由地“書寫”。隨著技術的演進，一整個小球的陣列可以被加工在一種特殊的透鏡之上。這種微透鏡陣列技術，能夠一次性地對一整個樣品表面進行加工，大大提高了微納加工技術的速度和精度。
4、光學微球提高光學顯微鏡分辨率
“光路是可逆的”，除了用于微納加工技術，光學微球也被證明可以提高絕大多數顯微鏡的分辨率，而這是評價顯微鏡的一項為重要的指標。在科學*，很多提高分辨率的技術被視為重要的科學貢獻，相關技術也不止一次獲得過諾貝爾獎。在科學家們的努力下，光學微球被證明可以把傳統光學顯微鏡的分辨率提高十倍，可以分辨出小20納米左右的微納結構。和其他顯微技術相比，光學微球不受限于具體的環(huán)境，不需要對樣品進行預處理，廣泛適用于無機或有機的所有樣品，能夠一次性對相對大范圍樣品表面進行觀測，不對樣品造成改性或破壞，沒有污染，也支持空氣/水/油/生物體內環(huán)境的實時成像。
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