基于氮化硅光栅的微型光散射系统有望用于光通信和传感器领域
2022-04-23 20:20:42 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
NIST研究的微型光散射系统是在芯片上制造的超薄氮化硅层，并蚀刻有一系列紧密间隔的周期性凹槽。这些凹槽形成了一个光栅（一种以不同角度散射不同颜色光的装置），而氮化硅的作用是沿着2毫米长的光栅尽可能地限制和引导入射光。
NIST（美国国家标准与技术研究院）研究团队将光入射到衍射光栅——蚀刻有凹槽的超薄氮化硅层；如果仔细选择凹槽的间隔和光的波长，光强会呈线性而非指数衰减（图片来源：S. Kelley/NIST）
据麦姆斯咨询介绍，将手电筒照射到浑浊的池塘水中，光束无法穿透很深。吸收和散射会迅速减弱光束的强度，每单位行进距离会损失固定百分比的能量。这种下降（称为指数衰减）适用于穿过任何容易吸收和散射电磁能的流体或固体的光。
但这与NIST（National Institute of Standards and Technology，美国国家标准与技术研究院）的研究人员在研究微型光散射系统时的发现不同。他们研究的微型光散射系统是在芯片上制造的超薄氮化硅层，并蚀刻有一系列紧密间隔的周期性凹槽。这些凹槽形成了一个光栅（一种以不同角度散射不同颜色光的装置），而氮化硅的作用是沿着2毫米长的光栅尽可能地限制和引导入射光。
入射光经过光栅后，大部分光线被向上（垂直于装置）散射，就像光照射到池塘水一样。在大多数实验中，NIST的科学家们都观察到了这一点。光强呈指数衰减，只能照亮光栅的前几个凹槽。
然而，当NIST的研究团队调整凹槽的宽度，使其几乎等于凹槽之间的间距时，科学家们发现了一些令人惊喜的事情。如果他们仔细选择特定波长的红外光，当它沿着光栅传播时，其强度下降得慢得多。光强随着行进距离呈线性衰减，而不是以指数形式衰减。
科学家们对从光栅向上散射的红外光的特性同样感兴趣。每当沿着光栅的光强衰减变为线性衰减时，向上散射的光就会形成一个宽光束，整个光束的强度都相同。对于许多涉及原子云的实验来说，均匀强度的宽光束是一种非常理想的工具。
电气和计算机工程师Sangsik Kim从未见过类似的情况。2017年春天，当他第一次在NIST进行的模拟中观察到这种奇怪的现象时，他和NIST资深科学家Vladimir Aksyuk都担心他出错了。但两周后，Kim在使用真实衍射光栅的实验中看到了同样的效果。
如果波长稍微偏移或凹槽之间的间距仅发生微小变化，系统就会恢复到呈指数衰减。
NIST团队花了几年时间研究出一种可以解释这种奇怪现象的理论。研究人员发现，其根源在于光栅结构、向前传播的光、光栅凹槽向后散射的光以及向上散射的光之间的复杂相互作用。在一个被称为例外点的关键时刻，所有这些因素共同作用，极大地改变了光能的损失，将其从指数衰减变为线性衰减。
研究人员惊讶地发现，他们用红外光观察到的现象是任何类型的波通过有损周期性结构传播的普遍特性，无论这些波是声波、红外光还是无线电波。
这一发现可能使研究人员能够将光束从一个基于芯片的装置传输到另一个基于芯片的装置，而不会损失太多能量，这对光通信来说可能是一个福音。由例外点形成的宽而均匀的光束也是研究原子云的理想选择。光诱导原子从一个能级跃迁到另一个能级，它的宽度和均匀的强度使光束能够在更长的时间内探测快速移动的原子。精确测量原子发生这种跃迁时发出的光的频率，是构建高精度原子钟和创建基于捕获的原子蒸汽的精确导航系统的关键步骤。
Aksyuk表示，一般而言，均匀的光束有望将基于芯片的便携式光子设备与大规模光学实验装置集成，从而减小它们的尺寸和复杂性。例如，一旦均匀光束探测到原子蒸汽，信息就可以被发送回光子芯片并在那里进行处理。
另一个潜在的应用是环境监测。由于从指数吸收到线性吸收的转变是突然的，并且对所选的光波长非常敏感，因此它可以成为痕量污染物高精度检测器的基础。Aksyuk说，如果表面的污染物改变了光栅中光的波长，例外点将突然消失，光强将迅速从线性衰减转变为指数衰减。
研究人员Aksyuk（NIST资深科学家）和Kim（目前在德克萨斯理工大学）在4月21日的Nature Nanotechnology上在线报道了他们的发现。
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