微世界 大精彩

文/高妍 張飛燕

微世界 大精彩

文/高妍 張飛燕

微納光學(xué)在基礎(chǔ)研究和設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面的進(jìn)步，變革了傳統(tǒng)光學(xué)與技術(shù)的發(fā)展路線，促進(jìn)了光學(xué)系統(tǒng)微型化、集成化的發(fā)展。

付永啟

微型化和智能化始終代表著現(xiàn)代工業(yè)和科技的主要發(fā)展方向。微電子、微機(jī)械、微光學(xué)等一連串“微工程”的興起和發(fā)展，將科學(xué)技術(shù)帶進(jìn)了一個(gè)全新世界。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，由光學(xué)與微電子、微機(jī)械、納米技術(shù)互相融合、滲透、交叉而形成的前沿學(xué)科——微納光學(xué)，因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為目前研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。

微納光學(xué)在基礎(chǔ)研究和設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面的進(jìn)步，變革了傳統(tǒng)光學(xué)與技術(shù)的發(fā)展路線，促進(jìn)了光學(xué)系統(tǒng)微型化、集成化的發(fā)展，在生命科學(xué)、生化、通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、新能源利用等領(lǐng)域都表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。

電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師付永啟，多年從事微納光學(xué)研究，在微細(xì)加工、納米加工、衍射光學(xué)、微光學(xué)、表面等離子體光學(xué)及近場(chǎng)光學(xué)等領(lǐng)域取得了多項(xiàng)研究成果，始終參與和推動(dòng)著“微世界”中的無限精彩。

立足前沿，引領(lǐng)尖端研究

“微納光學(xué)”顧名思義分為微米光學(xué)(簡(jiǎn)稱微光學(xué))和納米光學(xué)兩部分，即微米和納米尺度上的光學(xué)研究。”付永啟在接受采訪時(shí)，首先談到了微納光學(xué)的研究情況。

據(jù)付永啟介紹，微光學(xué)是基于微細(xì)加工技術(shù)、研究微米尺度的微光學(xué)元器件設(shè)計(jì)、制作以及應(yīng)用的學(xué)科。而納米光學(xué)主要研究光的空間傳播范圍在納米尺度時(shí)的倏逝波特性，并通過基于近場(chǎng)光學(xué)結(jié)構(gòu)的納米探針來描述和控制的過程及應(yīng)用。

“在納米光學(xué)研究中，作用于近場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的衍射極限限制，能夠?qū){米光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間分辨率在納米量級(jí)的分析；同樣，通過基于亞波長(zhǎng)光學(xué)結(jié)構(gòu)或器件，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，不但可以實(shí)現(xiàn)微米范圍的成像，也可以實(shí)現(xiàn)高清晰度的相位合成、單分子探測(cè)以及局部區(qū)域光譜分析。”

正是這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使微納光學(xué)自產(chǎn)生之日起，便始終處于研究者關(guān)注的中心，并愈發(fā)活躍。

雖然我國(guó)在微納光學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果，但同國(guó)際相比，無論在基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用轉(zhuǎn)化方面都存在一定差距，總的來看原創(chuàng)性技術(shù)太少，能夠轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)、推動(dòng)光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的更少。

付永啟認(rèn)為，要使微納科學(xué)與技術(shù)為人類造福，必須從基礎(chǔ)研究做起，打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)，緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展需求，準(zhǔn)確把握市場(chǎng)方向，重點(diǎn)攻關(guān)，進(jìn)而帶動(dòng)全面發(fā)展。

而付永啟的研究成長(zhǎng)過程，也恰巧暗合了微納光學(xué)從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，以點(diǎn)帶面的發(fā)展路線。

世界微納光學(xué)蓬勃發(fā)展的1990年代，付永啟走進(jìn)了這一領(lǐng)域。

1994年，付永啟在中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研讀博士，“當(dāng)時(shí)是跟導(dǎo)師一起做國(guó)家航天‘921’項(xiàng)目中的一個(gè)子項(xiàng)目——‘動(dòng)態(tài)目標(biāo)發(fā)生器’的研究，我主要負(fù)責(zé)曲面光刻的研究?！蹦鞘撬佑|到微光學(xué)并逐漸對(duì)微光學(xué)元器件的設(shè)計(jì)制作產(chǎn)生興趣的開始。

在博士后研究階段，付永啟又接著在衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)制作方面開展了深入研究。隨后為了開闊視野、提升研究能力，付永啟于1998年赴新加坡南洋理工大學(xué)精密工程與納米技術(shù)中心作研究員，借助當(dāng)?shù)貎?yōu)越的軟硬件條件繼續(xù)深入開展微光學(xué)以及后期納米光學(xué)領(lǐng)域的研究工作。

在新加坡，通過與科研院所及工業(yè)界的合作，付永啟開展了多個(gè)橫向和縱向項(xiàng)目研究，接觸到了微電子、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、微納加工、納米計(jì)量、及生化分析等多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，先后完成了多項(xiàng)重大研究課題，并取得了許多創(chuàng)新性成果。

2001年，付永啟將目光專注到了一種新的微納光學(xué)元件一步加工制作方法——聚焦離子束制作技術(shù)上，經(jīng)過兩年的反復(fù)研究、實(shí)驗(yàn)，終于獲得成功并使技術(shù)逐漸成熟。

付永啟利用納米加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微光學(xué)元件與光電子元/器件的集成一體化，即利用聚焦離子束技術(shù)直接一步將微光學(xué)元器件甚至納米光子元器件與光電子器件集成于一體，從而達(dá)到直接控制光束的目的。這一技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)的采用離散光學(xué)元件對(duì)激光束進(jìn)行準(zhǔn)直或聚焦的方法，不但減少了系統(tǒng)元件數(shù)，而且節(jié)省了空間，更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化和小型化，對(duì)微系統(tǒng)的開發(fā)具有重要意義。

同時(shí)，他還發(fā)現(xiàn)了兩種材料，它們?cè)诰劢闺x子束轟擊下具有材料自組織成型特性，該特性可直接用于微光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)成型。以該技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠制作出幾種特定的微光學(xué)元件，包括微正弦光柵、微閃耀光柵等。

此外，付永啟還利用聚焦離子束直接寫入法和輔助沉積法成功實(shí)現(xiàn)了微光學(xué)元件與光電子元/器件的集成一體化，為光學(xué)系統(tǒng)的小型化、微型化、平面化提供了制作技術(shù)保障。該集成一體化元/器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、生化、通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域，至今仍在應(yīng)用，還沒有其他方法能夠替代。

值得一提的是，聚焦離子束技術(shù)在微電子行業(yè)的廣泛應(yīng)用，大大提高了微電子工業(yè)上材料、工藝、器件分析及修補(bǔ)的精度和速度，目前已經(jīng)成為微電子技術(shù)領(lǐng)域必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，由于它集材料刻蝕、沉積、注入、改性于一身，有望成為高真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)器件制造全過程的主要加工手段。

付永啟教授在南洋理工大學(xué)精密工程與納米技術(shù)中心超凈室內(nèi)的聚焦離子束設(shè)備(型號(hào)Micrion 9500EX)旁的工作照

毅然回國(guó)，助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展

2007年，付永啟放棄國(guó)外優(yōu)越的待遇和生活，帶著累累碩果和先進(jìn)理念回國(guó)，受聘于電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院。9年的國(guó)外工作和生活經(jīng)歷，使付永啟真正體會(huì)到“國(guó)家”二字的含義，而回國(guó)發(fā)展也正是其心之所向。

隨著科技的進(jìn)步和需求的轉(zhuǎn)變，目前國(guó)內(nèi)微納光學(xué)技術(shù)研究主要集中在基于特異性材料的微波天線、隱形技術(shù)、納米光刻等幾部分，研究趨勢(shì)也朝著更加實(shí)用性發(fā)展，包括軍用和民用。而在產(chǎn)業(yè)方面，付永啟認(rèn)為應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合能源和生命科學(xué)等熱門領(lǐng)域的需求，積極探索，主動(dòng)推進(jìn)，研發(fā)出具有代表性的產(chǎn)品，如高效率光伏電池、光熱療法治療癌癥、多通道微型生化傳感器等。

在學(xué)校和所在團(tuán)隊(duì)的支持下，付永啟在納光子結(jié)構(gòu)、元器件及其應(yīng)用方面取得多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助，目前主要在納光子結(jié)構(gòu)的精細(xì)聚焦及成像研究，包括基于納光子結(jié)構(gòu)的超分辨聚焦成像、負(fù)折射材料的制備及應(yīng)用、近場(chǎng)表征等方面開展進(jìn)一步的深入研究，并推進(jìn)其盡快走向應(yīng)用。

多年從事理工科學(xué)研究的付永啟，處處透著濃郁的人文氣息。他看重學(xué)生的做事態(tài)度勝過考試成績(jī)，鼓勵(lì)學(xué)生積極與其他學(xué)科的人員交流，在學(xué)科交叉中探尋思維方式的改變和新的研究切入點(diǎn)。

他認(rèn)為創(chuàng)新更加需要自由開放的教育環(huán)境和多維度的思維模式，有源之水才能長(zhǎng)久，有本之木才會(huì)繁茂。

他喜歡歷史、地理、天文、攝影等偏重人文的內(nèi)容，注重精神層面的豐富與充實(shí)，并認(rèn)為這才是人做事的動(dòng)力和源泉。

他熱愛音樂、喜歡旅游，在音樂中凈化心靈、陶冶情操，在大千世界里感悟自然的偉大與生命的可貴。

愈發(fā)微小的研究世界里，孕育著神秘多彩的未來。漫漫征程上，付永啟將和他的伙伴們一起，在微納光學(xué)的“微小”世界中，繪就無與倫比的精彩！