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微纳光学

微纳光学是研究微米和纳米尺度下光与物质相互作用的学科，主要涉及光的产生、传输、调控和探测等应用。它促进了光学系统的微型化和集成化，具有独特的光场调控能力，为智能感知技术的发展提供了机遇。微纳光学的研究还包括纳米表面等离子体学等新兴领域，能够有效提高光子集成度，推动光电子技术的创新。

微纳光学是在衍射极限尺度下研究光与物质的相互作用，涵盖从紫外—可见—近红外的光场产生、传输、调制与能量转换，并通过光子晶体、超构材料、表面等离激元、光学超晶格、微纳结构光纤与波导等体系实现功能化。该领域以拓扑光子学，超表面与微纳加工为其核心分支，推动超分辨成像、多维光场调控，工业生产等方案的发展，显著提升了光学系统的集成度、功能密度与能耗效率。这些领域存在一些共性学术难题——即突破多维光场逆向设计的算法瓶颈、解决大面积高精度微纳制造的工艺极限、利用液晶技术打破超表面静态限制以实现动态主动调控、以及攻克宽带消色差与高光效传输的物理难题。麓邦重点聚焦微纳光学技术和液晶光子学等前沿方向，致力于解决高精度光学元件制造、光场调控等技术难点，助力微纳光学的发展。

拓扑光子学

拓扑光子学是受凝聚态物理中拓扑相和拓扑相变概念的启发来，它提供了一种新颖的光场调控机制，具有丰富的传输和光操控特性。拓扑光子学可以实现背散射抑制和缺陷免疫的边界输运特性，以及自旋轨道依赖的选择传输特性。拓扑光子态由于受到拓扑保护，具有鲁棒性和抗干扰等优点，因此拓扑态为微纳全光器件的实现提供了新平台，但在同一个结构中实现多频率拓扑态的微纳器件面临困难。基于晶格平移和旋转的光子晶体合成维度方法，用于构建片上集成的多频率拓扑微纳光子器件，开辟了拓扑微纳光子器件的研究方向。为了准确表征此类片上拓扑光子器件的性能，需要采用具备亚结构尺度空间分辨率、高光学收集效率以及高重复性扫描能力的近场光学显微成像系统。原子力显微镜（AFM）探针因其极小的探针半径，可提供足够高的空间分辨率，从而实现对器件近场光场的直接测量。在光场探测过程中，为了探测拓扑光子系统的能带结构并进一步观测拓扑相变，实验采用可调谐激光光源对入射光频率进行扫频，逐点激发不同本征模式。结合近场探测器（如 SNOM/AFM 光学探针）对局域光场随频率的演化进行成像，可直接重构能带色散并清晰观测拓扑态带隙的闭合与重新开启过程。此外，通过光电探测器或光谱仪测量输出光的频率响应，也可获得带隙开闭对应的传输谱特征。由于信号质量与扫频范围密切相关，实验常进一步利用数字锁相放大器对参考信号与待测信号进行同步解调，以显著抑制非同频噪声并提升能带测量的信噪比。

图源：Lu, C., Sun, YZ., Wang, C. et al. On-chip nanophotonic topological rainbow. Nat Commun 13, 2586 (2022).

微纳加工

微纳加工技术通过高精度制造实现大数量、均匀强度的焦点阵列，其核心工艺包括聚焦离子束铣削、纳米压印复制以及飞秒激光冷加工直写。这些技术的共同目标是在微纳尺度上精确控制光束的空间分布与强度，从而为下一代微纳器件的制造提供基础。然而，传统的单点直写方式存在效率低下的问题。相比之下，基于空间光调制器（SLM）的全息多焦点并行加工方法尽管能够有效提高加工效率，但仍受到衍射能量特性的限制，特别是中心零级光斑的干扰。为了克服这一问题，光场中心对齐技术被应用于干扰抑制，而补偿光干涉相消技术则能够优化能量分布，从而提高焦点阵列的均匀性。此外，全息灰度调制策略结合实时反馈控制机制，可以动态调整目标强度，进一步解决由于系统误差导致的强度均匀性问题。为了避免聚焦点之间的聚合效应并实现更高精度的均匀点阵加工，可以通过增大焦点间距与能量梯度分布来有效分散聚焦能量，从而提高加工质量与一致性。该技术的实现依赖于高损伤阈值光学元件、高稳定性机械镜架以及高像素相机用于光路控制与质量监测。在微纳加工过程中，振镜系统被广泛应用于精密扫描控制，其核心原理基于闭环负反馈控制系统，通过伺服电机驱动X/Y轴反射镜实现大扫描角度的调节。空间光调制器（SLM）通过液晶分子相位调制技术，将高斯光束转化为能量均匀分布的平顶光束，并支持实时动态调整光束参数，以满足不同加工需求。此外，衍射光学元件（DOE）凭借其纳米级光栅结构，能够在保持相同匀化效果的同时，减少体积，且更适用于高集成度的微纳加工系统。在超精密加工需求下，科研领域常采用高像素、高分辨率的成像技术，以实现对微米级加工形貌的实时监测。最后，在系统集成方面，采用石英基底的高损伤阈值光学元件，并结合多层介质膜技术，能够承受高能量脉冲的能量密度，从而保证加工过程中的稳定性与精确度。

图源：Zhang L, Wang C, Zhang C, Xue Y, Ye Z, Xu L, Hu Y, Li J, Chu J, Wu D. High-Throughput Two-Photon 3D Printing Enabled by Holographic Multi-Foci High-Speed Scanning. Nano Lett. 2024 Feb 28;24(8):2671-2679.

超表面

超表面是一类由精确设计的亚波长微纳结构组成的人工界面，如相位、振幅和偏振调制超表面结构。长距离、高精度且紧凑的横向位移计量在工业和科学研究中都至关重要，然而要以微小尺寸距离测量二维位移是极大的挑战。基于矩阵元曲面的二维位移计量，可以以纳米级空间精度追踪粒子运动。由纳米柱二维周期阵列组成的矩阵超曲面可以将入射光衍射成三维多束光，利用结构的偏振依赖性同时充当偏振分析单元。将该矩阵与4f光学系统结合，光学系统输出光的两个正交偏振分量的光功率可以携带元曲面相对于入射光束的二维横向位移信息，能够精确追踪二维曲面的任意纳米级步进运动，范围可达数百微米。典型的超表面高精度二维位移测系统，通常会采用偏振分束器将光源分成两偏振光并合束，利用声光调制器作为高速光学开关，可以将光线在中层表面上切换，升降时间为数十纳秒。

图源：Haofeng Zang et al.,High-precision two-dimensional displacement metrology based on matrix metasurface.Sci. Adv.10,eadk2265(2024).

在微纳光学器件与精密光场调控技术不断发展的背景下，对高性能光机产品及系统级解决方案的需求日益增长。麓邦在微纳光子学及应用光学装备领域深耕多年，围绕前述拓扑光子学、超表面位移测量以及多焦点微纳加工等研究方向，为科研和产业界提供从核心器件到完整系统的全链条支持。麓邦依托液晶微纳光子学技术，构建了国内首条具备规模化能力的量产线，并配备先进加工设备与完整制程，使高精度微纳光学元件在设计自由度、制造精度和可靠性方面得到充分保障。在光束调控方面，麓邦提供高精度相位板、衍射透镜及分束器等关键光学元件，满足光束匀化、波前整形、能量分配等多场景需求。基于自主开发的相位调制与表面浮雕工艺，其匀化型 DOE 元件具有低吸收率和高损伤阈值，可对高斯光束实现高效整形与均匀化处理，尤其适用于可见光与近红外波段的高能量密度应用场景。此外，高分光比偏振分束器及高相位精度真零级波片可实现对偏振态的高保真调控，为拓扑态激发、偏振敏感测量以及高对比度成像提供稳定支撑。在光场测量及检测系统方面，麓邦可提供用于相位独立调制的高精度空间光调制器，支持构建全息多焦点加工、光镊操作、拓扑模式选择激发等功能性系统。同时配置高精度偏振分析仪与高功率光学功率计，实现能量分布、偏振响应及光场稳定性的实时监测。在更高层级的系统集成方面，麓邦推出的光镊系统可用于可视化展示激光操控粒子的动态行为，为研究拓扑边界态输运、光机械相互作用以及高维光场调控提供实验基础环境。麓邦在产品设计中全面贯彻模块化理念，光学镀膜工艺经过环境适应性优化，可在温度变化、机械振动等复杂条件下保持稳定输出。除了硬件产品，我们还提供完整的技术服务，包括光路设计咨询、系统集成实施、操作培训以及长期的技术支持，确保客户能够充分发挥先进光学成像光机产品的性能优势。

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