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光學(xué)微球增強(qiáng)技術(shù)：顯微技術(shù)和微納加工的新方向
光學(xué)微球增強(qiáng)技術(shù)：顯微技術(shù)和微納加工的新方向
1、衍射極限——光學(xué)技術(shù)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(xué)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(xué)的發(fā)展進(jìn)程，因為它從根本上限制了絕大多數(shù)純光學(xué)顯微技術(shù)的分辨率。另一方面，衍射極限也是光學(xué)加工中的一大挑戰(zhàn)。無論是表面加工技術(shù)、激光直寫，還是光刻技術(shù)，其分辨率都受到衍射極限的影響。
光學(xué)微球是挑戰(zhàn)衍射極限的一項重要嘗試。光學(xué)微球能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)器件對光的調(diào)制極限，提供了一種全新的構(gòu)建微納光學(xué)系統(tǒng)的思路。這項技術(shù)的誕生可以追溯到2000年，從那以后，各地的數(shù)十個科學(xué)團(tuán)隊都投身于這項技術(shù)的研究之中。新加坡國立大學(xué)的洪明輝院士團(tuán)隊總結(jié)了該領(lǐng)域的各項核心突破、關(guān)鍵技術(shù)，以及發(fā)展歷程。相關(guān)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(xué)微球的增強(qiáng)效應(yīng)是如何發(fā)現(xiàn)的
由微觀世界到浩瀚星宇，球形光學(xué)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(xué)微球的增強(qiáng)效應(yīng)，直到千禧年左右才被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。在早期的一系列激光清洗的實驗中，科學(xué)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(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)這些圓形附著物下面竟然產(chǎn)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(chǎn)生源于圓形附著物對于光的聚焦效應(yīng)。這種聚焦效應(yīng)可以輕易地突破經(jīng)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(xué)微球。而這項源于激光清洗的發(fā)現(xiàn)，就像是在密不透風(fēng)的理論極限上面打破了一個孔，涌出了對新興技術(shù)的無盡靈感和暢想。
3、光學(xué)微球提高微納加工的精度
光學(xué)微球立即被科學(xué)家們應(yīng)用于各種微納加工技術(shù)，各種新的嘗試層出不窮。起初科學(xué)家們通過自組裝技術(shù)，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(shù)的推進(jìn)，科學(xué)家們也找到了很多控制微球的方法，比如用光鑷技術(shù)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(shù)的演進(jìn)，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(shù)，能夠一次性地對一整個樣品表面進(jìn)行加工，大大提高了微納加工技術(shù)的速度和精度。
4、光學(xué)微球提高光學(xué)顯微鏡分辨率
“光路是可逆的”，除了用于微納加工技術(shù)，光學(xué)微球也被證明可以提高絕大多數(shù)顯微鏡的分辨率，而這是評價顯微鏡的一項為重要的指標(biāo)。在科學(xué)*，很多提高分辨率的技術(shù)被視為重要的科學(xué)貢獻(xiàn)，相關(guān)技術(shù)也不止一次獲得過諾貝爾獎。在科學(xué)家們的努力下，光學(xué)微球被證明可以把傳統(tǒng)光學(xué)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(jié)構(gòu)。和其他顯微技術(shù)相比，光學(xué)微球不受限于具體的環(huán)境，不需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理，廣泛適用于無機(jī)或有機(jī)的所有樣品，能夠一次性對相對大范圍樣品表面進(jìn)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(nèi)環(huán)境的實時成像。
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