原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00894-7
原文作者：惠大泰，李冬芃，王斌斌，黎永前
基于微機(jī)械電子系統(tǒng)（MEMS）的衍射光柵具有動(dòng)態(tài)光調(diào)制能力，可以實(shí)現(xiàn)光開關(guān)、光束掃描、光束整形與合束、光強(qiáng)度調(diào)制等功能，應(yīng)用于激光通信、激光投影、激光測(cè)控、超短脈沖激光加工、以及動(dòng)態(tài)光譜分析等領(lǐng)域。
近期，西北工業(yè)大學(xué)空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成功研制出數(shù)厘米尺寸通光口徑的MEMS衍射光柵。該MEMS衍射光柵的諧振頻率不受光柵長(zhǎng)度尺寸的影響，可通過(guò)延長(zhǎng)光柵長(zhǎng)度，或者增加周期數(shù)目的方法擴(kuò)展通光口徑，實(shí)現(xiàn)了最大30 mm×30 mm的通光孔徑。連續(xù)輪廓正弦光柵實(shí)現(xiàn)了更高的光學(xué)效率。研制的MEMS衍射光柵表面填充因子超過(guò)96%，正入射光對(duì)應(yīng)的零階光束動(dòng)態(tài)調(diào)制對(duì)比度大于90%。課題組成功研制出具有數(shù)厘米尺寸通光口徑的MEMS衍射光柵調(diào)制器，其光學(xué)效率大于90%，工作頻率達(dá)到200 kHz，入射角度30度，消光比大于100:1。該團(tuán)隊(duì)基于濕法釋放工藝，已經(jīng)成功制備出三種規(guī)格的MEMS衍射光柵。上述研究成果以“A MEMS grating modulator with a tunable sinusoidal grating for large-scale extendable apertures”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。博士生惠大泰為論文第一作者，黎永前教授為通信作者，論文工作得到喬大勇教授的大力支持。
該研究團(tuán)隊(duì)在研制的MEMS衍射光柵基礎(chǔ)上，借助Virtuallab Fusion光學(xué)仿真軟件，建立了衍射光斑與空間傳播的光場(chǎng)追跡模型，開發(fā)出基于MEMS衍射光柵的逆向光調(diào)制器�；贛EMS衍射光柵的逆向光調(diào)制器具有溫度穩(wěn)定性好、光調(diào)制對(duì)比度高等優(yōu)勢(shì)；適用于傳輸文字、語(yǔ)音和圖片等應(yīng)用場(chǎng)合，尤其適用于需要大視場(chǎng)角、高調(diào)制對(duì)比度的小型化激光通信應(yīng)用場(chǎng)景。該逆向光調(diào)制器目前已在航天工程大學(xué)的小型地–空通信平臺(tái)上完成激光通信鏈路驗(yàn)證。航天工程大學(xué)張來(lái)線教授指出，這種MEMS光柵調(diào)制器突破了通光孔徑擴(kuò)展的技術(shù)瓶頸，顯著提升了光通信鏈路性能，為未來(lái)星間及無(wú)人平臺(tái)的空間激光通信測(cè)控提供了核心器件。
圖1. MEMS衍射光柵結(jié)構(gòu)及工作原理。（a）衍射光柵整體結(jié)構(gòu)，MEMS衍射光柵分別由基底層、絕緣層和光柵層構(gòu)成，光柵層通過(guò)一系列周期性排列的絕緣支撐柱與基底固連。（b）光柵單元結(jié)構(gòu)，（c）光柵單元一階諧振模態(tài)�；缀凸鈻艑又g的靜電驅(qū)動(dòng)力使光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向下?lián)锨冃危纬烧夜鈻泡喞�。光柵結(jié)構(gòu)的等剛度特性使得衍射光柵沿周期方向擴(kuò)展，可以有效提高器件的通光孔徑，同時(shí)保持器件具有較高的諧振頻率。正弦光柵輪廓具有連續(xù)的光調(diào)制表面，器件表面填充率大于96%。
圖2. MEMS衍射光柵工作原理。（a）非調(diào)制狀態(tài)和（b）調(diào)制狀態(tài)衍射光柵的工作過(guò)程。非調(diào)制狀態(tài)的器件表面為理想光學(xué)平面，入射光束沿反射方向發(fā)生幾何光學(xué)反射；調(diào)制狀態(tài)的器件表面為連續(xù)輪廓表面的正弦光柵，發(fā)生光衍射現(xiàn)象。正弦光柵的調(diào)制深度變化，使0級(jí)衍射光和±1級(jí)衍射光強(qiáng)動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)0級(jí)反射光和高階衍射光強(qiáng)度調(diào)制。
圖3. MEMS衍射光柵制備芯片的SEM照片
圖4. MEMS衍射光柵器件性能測(cè)試結(jié)果（a）和模擬設(shè)計(jì)結(jié)果（b）。在635 nm和1550 nm波長(zhǎng)下的“非調(diào)制”和“調(diào)制”狀態(tài)的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑（用VirtualLab Fusion的模擬結(jié)果）。
圖5 MEMS衍射光柵的動(dòng)態(tài)光調(diào)制性能測(cè)試結(jié)果，在（100～300 kHz）下的0級(jí)衍射光調(diào)制信號(hào)具有較好的波形。
項(xiàng)目平臺(tái)介紹
西北工業(yè)大學(xué)空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，定位于為國(guó)家航空航天戰(zhàn)略需求提供基礎(chǔ)核心元器件，培養(yǎng)創(chuàng)新人才。實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)是教育部長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新平臺(tái)，在過(guò)去十年取得了多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研成果，培養(yǎng)了大量MEMS領(lǐng)域科研人才。
微納結(jié)構(gòu)光學(xué)元件及應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)，研究方向包括基于MEMS技術(shù)的動(dòng)態(tài)光學(xué)元器件，如MEMS衍射光柵，微光開關(guān)陣列等；基于微納結(jié)構(gòu)的靜態(tài)微光學(xué)元件，如衍射光學(xué)元件DOE，微透鏡陣列，超構(gòu)表面光學(xué)元件等。
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