法布里-珀罗光学微腔及其应用

　　法布里-珀罗（F-P）微腔作为基础的光学谐振器，因其结构设计方法成熟、品质因子高等特性，在近现代光学领域中具有举足轻重的地位。近年来，随着微纳加工技术的不断成熟，F-P微腔进入了一个新的发展阶段，其结构展现出集成化、多样化、功能定制化的特点，其应用领域也得到进一步拓展。

　　据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室、上海科技大学物质科学与技术学院、上海节能镀膜玻璃工程技术研究中心和中国科学院大学的科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“法布里-珀罗光学微腔及其应用”为主题的文章。该文章第一作者为刘清权，通讯作者为王少伟研究员和陆卫研究员。

　　本文总结了近20年来F-P微腔在光场调控领域的研究进展，重点介绍了基于F-P微腔的分光结构及光谱探测应用、F-P微腔中光子与低维材料相互作用的研究，以及F-P微腔在参数精密测量、生物检测、光场调控等方面的潜在应用，并对未来F-P微腔的发展及新的应用前景进行了展望。

　　F-P微腔的基本结构如图1（a）所示，由两面反射镜M1、M2和中间腔层构成。设光的传输方向由上往下，反射镜的透射系数分别为t⁺₁、t⁻₁、t⁺₂、t⁻₂，反射系数分别r⁺₁、r⁻₁、r⁺₂、r⁻₂，其中下标1、2代表反射镜M1、M2，上标+、-代表光的传输方向。

　　早期用于F-P滤光片的反射镜一般选用金属，然而由于金属吸收高，导致透过率低。20世纪70年代发展起来了一种分布式布拉格发射镜（DBR），由折射率不同的两种材料交替组成，其高反射的原理可以用光子晶体理论来解释：在周期势的作用下，光子能带会被打开，形成光子带隙，不允许相应频率的光在周期介质内传输，从而实现高反射率。交替介质薄膜一般选用无吸收介质，光在其中传输损耗极小，并且反射率也能比金属高（对于无吸收的理想介质而言，其反射率能无限接近1），因此，用DBR做反射镜的F-P滤光片［又称全介质滤光片，如图1（c）所示］能实现更窄的透射光谱峰带宽和更高的透过率。图1（b）给出了金属F-P滤光片和全介质F-P滤光片的透过率理论计算结果，给读者更直观的理解。这里，金属F-P滤光片的透射半峰全宽为14 nm，透过率仅30%，而全介质F-P滤光片的半峰全宽要小一个数量级可窄至1.4 nm，而透过率则高达92%。美中不足的是，全介质F-P滤光片的截止带宽有限，但是可以通过叠加截止带膜系来增加截止带宽，理论上，通过优化的多层膜系，可以实现不同设计要求带宽的带通滤光片，这属于薄膜光学的领域，有兴趣的读者可翻阅相关文献。

　　除了对透射与反射光谱进行调控外，F-P微腔对光场的调控也是值得关注的一部分。图1（d）展示了利用传输矩阵法计算得到的上述全介质F-P微腔中的电场分布，虚线L的光学腔，光在腔中来回反射形成共振，使得腔中部分区域处的电场急剧放大，这为光与物质相互作用提供了一个非常优异的条件和平台。

　　波长是光的基本属性之一。单一波长的光可作为信息的载体，是光通信和量子通信的基础。而将光线中不同波长的光进行逐一探测分析，则形成了另一个学科——光谱分析。由于不同的分子或原子会吸收或发射不同波长的光，通过检测物质的光谱，便能获得物质的成分信息。光谱探测有着快速、非接触、无损/无创等优点，被广泛应用于生物医学、航空航天、农业、海洋等诸多领域。

　　光谱分光是F-P微腔的重要应用之一，相较于光栅、棱镜等色散型的分光器件，F-P微腔的光谱分辨率与自由空间距离无关，可与探测器零距离集成，能极大地减小光谱仪器的体积和质量。本节将介绍基于F-P微腔新型分光结构的发展现状，包括线性渐变滤光片、集成F-P滤光片，以及基于F-P微腔的重构型光谱仪等。

　　线性渐变滤光片（LVF）是一种光谱特性会随位置线性变化的滤光片，有带通、高通、低通等类型。而线性渐变F-P滤光片是一种窄带通道随位置线性变化的滤光片，可用于成像光谱仪中。线性渐变F-P滤光片的基本结构如图2所示，通过非均匀的薄膜沉积手段来改变薄膜厚度，使得不同位置处的透射峰位不同。与集成F-P滤光片相比，线性渐变F-P滤光片无需光刻、刻蚀等微纳制备工艺，制备方式简单，通道数量极多（取决于探测器的规模），但其缺点在于透射带宽会有一定展宽（约为集成F-P滤光片的7~10倍），透过率较低，透射峰位之间难以按需任意定制且存在相互串扰问题。

　　LVF的发展比集成F-P滤光片早许多。早在20世纪80年代，美国Hughes Santa Barbara研究中心便开始LVF的研制工作，在1989年进行成像演示论证，并在1992年进行机载实验。该LVF与64×128元像素规模的硅探测器组装，能获取64个光谱波段和128个空间像元，光谱范围为400~1030 nm，光谱通道带宽为 0.5%~3%。1997年，美国加利福尼亚州光知识系统公司报道了第一个工作在热红外（7.5~14 μm）的LVF，该滤光片与20×64像元的Si：As探测器组装，制备光谱成像探测器，工作温度为10 K，光谱带宽为100 nm。2000年左右，美国OCLI公司推出了商品化的Micropac系列光谱仪，仪器的工作波段为可见近红外区域（400~700 nm和600~1100 nm），光谱带宽小于2.5%。该系列可能是首款使用LVF的高光谱相机。2001年，美国Raheon Santa Barbara Remote Sensing研制了基于LVF的红外成像光谱探测系统，光谱范围为3.45~14.08 μm，光谱分辨率约10⁻⁶ nm⁻¹（10 μm处）。随后，印度空间研究中心、法国国家太空研究中心、加拿大航天局、欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）、法国巴黎天文台等多国研究机构相继展开对LVF及其成像光谱仪的研究。

　　2002年，我国清华大学首先对基于LVF的成像光谱仪进行了理论设计的报道，同年，南开大学对LVF的成像光谱仪进行了原理性验证。2006年，同济大学王占山等与日本株式会社光驰合作，共同研究了多种LVF的制备工艺。2007年，兰州物理研究所罗崇泰等也对LVF的制备工艺进行了深入研究。2015年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的张建采用双离子束溅射物理沉积方法制备了高透过率、高色散系数的LVF。其光谱范围为650~1050 nm，峰值透过率均达到85%以上，中心波长的线 nm/mm。随后，该研究所的研究人员利用LVF分别实现了手持式近红外光谱仪、血红蛋白无创分析仪的研制。2021年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的刘春雨团队研制了一款工作波段为400~1000 nm、地面分辨率为10 m、平均光谱分辨率为8.9 nm、系统总质量为7 kg的轻小型星载高光谱成像光谱仪。同年，该团队又公布了使用多片LVF与探测器拼接技术的高分辨率大幅宽高光谱相机，该相机在500 km轨道处幅宽为150 km，质量为9.2 kg。随着镀膜工艺及探测器技术的进步，基于LVF的光谱仪器不断朝着更小型化、分辨率更高的目标发展。

　　单一的F-P微腔只有一个透射波长，若想获得多个透射波长，实现多光谱或高光谱探测，则需将多个不同腔长的F-P滤光片集成于一体，即集成F-P滤光片，如图3所示。该结构在微型光谱仪、多/高光谱成像仪中有着广泛的应用价值。集成F-P滤光片的难点在于多个不同厚度中间腔层的高效制备，本节将从工艺制备的角度阐述集成F-P滤光片的发展现状。

　　2000年，荷兰代尔夫特科技大学的Correia等在CMOS探测表面制备了集成金属F-P微腔结构（Al-SiO₂-Ag），通过光刻刻蚀的方法改变SiO₂层的厚度，从而获得一系列不同的窄带光透射。该器件的光谱通道数为16个，光谱范围为225~300 nm，半峰全宽为18 nm，相对带宽（δλ/λ）约6%。

　　2003年，中国科学院上海技术物理研究所的王少伟等提出通过改变全介质F-P微腔层厚度获得集成F-P滤光片的方法，并于2004年进行了实验验证。2006年和2007年，该团队又分别提出组合刻蚀和组合沉积的方法，实现了中波红外和近红外的全介质集成滤光片的制备，如图4所示。其中，图4（a）为组合刻蚀法示意图，只需通过N次刻蚀便可获得2N个通道，组合沉积的原理类似，该方法可极大地提升多通道光学腔的制备效率和成品率。图3（b1）~3（b2）为中波红外集成滤光片，该器件光谱通道数为16个，光谱范围为2.5~2.9 μm，半峰全宽为13 nm，相对带宽为0.5%。图4（c1）~4（c2）为近红外集成滤光片，只需7次组合刻蚀就能使光谱通道数达到128个，光谱范围为72~880 nm，半峰全宽为1.2 nm，相对带宽达到0.2%。该新模式分光器件无需任何色散距离，可与探测器完全匹配甚至一体化构成微型光谱仪，结构简单、设计灵活，去掉了整个复杂的分光系统，很好地解决了传统分光方式集成度与光谱分辨率之间的矛盾。该技术已成功用于2016年实践十号卫星上植物的多光谱荧光成像探测，实现了新概念分光器件的首次航天应用验证。

　　2007年，同济大学焦宏飞与王少伟等合作，利用组合刻蚀的方法，制备了集成双腔F-P滤光片，通道数为32，光谱范围为0.77~0.85 μm，带宽约为8 nm。相比于单腔F-P滤光片，双腔F-P滤光片具有更好的带通矩形度和更高的带外截止效果。虽然组合刻蚀/沉积方法能在很大程度上提高多通道集成F-P滤光片的制备效率，但是仍然需要多次的对准、刻蚀/沉积工艺，这也会降低集成F-P微腔的制备效率。为了更快速、廉价地完成集成F-P滤光片的制备，2013年，德国卡塞尔大学Meinl课题组提出利用纳米压印的方法实现多个腔层的制备。纳米压印制备多腔集成F-P滤光片的方法如图5（b）所示，它有着简单、高效、低成本等优点，可一次性完成多个腔层的制备，并且没有光学曝光中的衍射现象，能实现高分辨图像的加工。借助纳米压印技术，该课题组制备了64通道集成滤光片，单通道尺寸为100 µm×100 μm，光谱范围在可见-近红外区域，光谱分辨率为2 nm。

　　除了纳米压印技术外，灰度电子束曝光技术也被研究用于集成F-P微腔的制备。由于电子束具有较短的波长，使用电子束曝光的分辨率远高于普通紫外光刻；其次，电子束曝光可根据所设计的图形使用电子束斑直接曝光，无须制备曝光掩模板，避免了纳米压印制作模板的繁琐过程。2017年，美国加利福尼亚大学Huang等和我国湖南大学段辉高团队先后报道了利用灰度电子束曝光技术制备的集成F-P滤光片。利用电子束灰度曝光技术，段辉高团队制备的单个F-P微腔的最小边长仅为433 nm。2019年，英国剑桥大学的Williams等也发表了利用电子束灰度光刻制备的金属F-P微腔，光谱范围覆盖整个可见波段，光谱带宽约为25 nm。

　　使用电子束曝光进行灰度光刻，其优点在于在选取灰度剂量时电子束的束流控制比较稳定，能够准确地输出所选定的剂量值。此外，电子束曝光的分辨率极高，可以制备纳米级别的灰度结构。但同时该方法也存在一定的缺点，在制备大面阵、大像元的结构时，电子束光刻的曝光速率慢，需要耗费很长时间，且价格昂贵，仅适用于小尺寸、高分辨率的研发领域。

　　2022年，中国科学院上海技术物理研究所的陆卫和王少伟团队首次利用激光直写紫外灰度光刻工艺，在InGaAs短波红外探测器上直接集成了像素级全介质F-P滤光片，使探测器本身就具备了光谱分辨能力，如图6所示。激光直写紫外灰度光刻过程与电子束灰度光刻工艺过程类似，虽然激光直写的精度不如电子束，但是其成本低廉且曝光速度远快于电子束曝光。该集成F-P滤光片的光谱范围为0.9~1.7 μm，通道数最多达100个，每个通道尺寸为60 µm×60 µm。该工作还采用了光谱重构技术提高短波红外光谱探测芯片的光谱分辨率，仅需20个像元通。