新方法|美国高校研究出制造三维梯度折射率微光学元件新方法，有望应用于光电集成领域

美国伊利诺伊大学、美国斯坦福大学和美国陶氏化学公司合作利用电化学刻蚀的硅微结构制造出三维梯度折射率（GRIN）微光学元件。这种利用多孔硅制造三维梯度折射率微光学元件的新方法有望为光电集成、成像和光伏领域带来重大发展。

图为三维梯度折射率（GRIN）微光学元件偏振特性示意图

研究基础

研究人员认为，最初研究多孔硅是因为其在室温下可发射可见光，但最近多孔硅已经被证明是一种通用的光学材料，可通过电化学加工的方法对其折射率进行调制。

Paul Braum教授表示：“在过去的几十年间，变换光学的产生和发展使得利用GRIN光学材料控制光的传播技术得以发展。在本次研究工作中，我们已经研究清楚硅微结构的初始形状与刻蚀条件的关系。例如，这些元件表现出的偏振相关的光学性能扩大了多孔硅在光电集成领域的应用范围。”

原理

由于刻蚀的过程会导致材料折射率的调制，这种方法可以一定程度上改变材料的光学性能和光学元件的物理形态。举个例子，我们可以按照自己的需求将一块透镜制造成各种形状以服务于使用，这为集成硅光学的设计开辟了新的机会。

Paul Braum教授补充道：“材料的光学属性是关于刻蚀电流的函数。如果你改变了蚀刻电流，你将同时改变材料的折射率。事实上，创造及改变硅结构的技术是非常重要的，因为硅在光伏、成像和光电集成领域上有十分重要的应用。”

应用

Neil Krueger研究员表示：“我们不仅利用三维光刻蚀的硅平台展示了GRIN光学元件的功率性能，还证明了它是光子集成电路应用中一个很有前景的材料。”

他补充道：“我们研究工作的新颖之处在于我们正在做的是三维光学元件。由于光在非均匀光学介质如GRIN元件中的遵循曲线路径传播，这就使得我们对光学元件的结构控制变得十分有意义。在此基础上，这些材料的双折射特性是额外的“奖励”，因为双折射效应将为GRIN元件提供偏振选择性操作的机会。”

优点

陶氏化学公司的Weijun Zhou表示：“该3D加工性工艺的优点在于它的快速和可扩展性。大规模纳米结构GRIN组件在先进成像、显微和光束整形等领域有着广泛用途。”

变换光学

变换光学应用超材料从坐标变换推导而产生空间变化，可直接选定电磁辐射的带宽，这样，可以构建新的复合器件。利用变换光学，很多普通的光学器件可显著提高其效能。例如，一种潜在的应用是，把光集中在某一区域内，用新的太阳电池收集太阳光。

多孔硅

多孔硅是一种新型的一维纳米光子晶体材料，具有纳米硅原子簇为骨架的“量子海绵”状微结构，可以通过电化学阳极腐蚀或化学腐蚀单晶硅而形成。