互联网归因于无数的光脉冲,通过光纤在地球仪周围发送了大量数据。为了转向并控制这些光脉冲,采用各种技术。最古老,最重要的是衍射光栅,其在精确确定的方向上偏转不同颜色的光。几十年来,科学家一直在努力改善衍射光栅的设计和生产,使其适合今天的苛刻应用。研究人员现在已经开发出一种新方法,通过这种方法可以生产更有效,更精确的衍射光栅。

衍射光栅基于干涉原理。当光波击中凹槽表面时,它被分成许多较小的波,每个波都从单个凹槽发出。当这些波离开表面时,它们可以加在一起,也可以相互抵消,这取决于它们的传播方向和波长(与它们的颜色有关)。这就解释了为什么将数据存储在微小凹槽中的CD表面在白光照射下会产生反射颜色的彩虹。

为了使衍射光栅正常工作,它的凹槽需要有一个类似于光波长的间隔,这个间隔大约为一微米——比人的头发宽度小一百倍。传统上,使用微电子工业的制造技术将这些凹槽蚀刻到材料表面;然而,这意味着光栅的凹槽是方形的。物理学表明,沟槽应该有平滑的波浪状图案,就像水面上的涟漪一样。因此,用传统方法制作的凹槽只能是粗略的近似值,这反过来意味着衍射光栅将无法有效地控制光线。

新方法基于扫描隧道显微镜,其中通过具有高分辨率的探针的尖锐尖端扫描材料表面。由这种扫描产生的图像甚至可以示出材料的各个原子。人们还可以使用尖锐的尖端来绘制材料并因此产生波浪表面。为此,研究人员将扫描探针的尖端加热至近1000℃并将其压入某些位置处的聚合物表面。这使得聚合物的分子在这些位置处分解并蒸发,允许表面精确地雕刻。以这种方式,科学家可以用几纳米的分辨率将几乎任意的表面轮廓分开到聚合物层中。最后,通过将银层沉积到聚合物上,将图案转移到光学材料中。然后可以将银层与聚合物脱离并用作反射衍射光栅。

这允许研究人员在银层中产生具有少量原子距离的完全形状的衍射光栅。与传统的方形凹槽不同,这种光栅不再是近似,而是实际上完美,并且可以以这样的方式形状,使得反射光波的干涉产生精确可控的图案。

完美的光栅为控制光线提供了新的可能性;例如,将微小的衍射光栅构建到集成电路中,通过集成电路可以更有效地发送、接收和路由互联网的光信号。

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这篇文章首次出现在2020年10月的《科学》杂志上yabovip16.com杂志。

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