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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
閱讀：447 發布時間：2019-7-24
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。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，以及發展歷程。相關的綜述文章發表于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/生物體內環境的實時成像。