微世界 大精彩

文/高妍 張飛燕

微世界 大精彩

文/高妍 張飛燕

微納光學在基礎研究和設計制造技術方面的進步，變革了傳統光學與技術的發展路線，促進了光學系統微型化、集成化的發展。

付永啟

微型化和智能化始終代表著現代工業和科技的主要發展方向。微電子、微機械、微光學等一連串“微工程”的興起和發展，將科學技術帶進了一個全新世界。

進入21世紀，隨著社會的發展和技術的進步，由光學與微電子、微機械、納米技術互相融合、滲透、交叉而形成的前沿學科——微納光學，因其獨特優勢成為目前研究者關注的焦點。

微納光學在基礎研究和設計制造技術方面的進步，變革了傳統光學與技術的發展路線，促進了光學系統微型化、集成化的發展，在生命科學、生化、通信、數據存儲、新能源利用等領域都表現出巨大的應用價值和市場潛力。

電子科技大學物理電子學院教授、博士生導師付永啟，多年從事微納光學研究，在微細加工、納米加工、衍射光學、微光學、表面等離子體光學及近場光學等領域取得了多項研究成果，始終參與和推動著“微世界”中的無限精彩。

立足前沿，引領尖端研究

“微納光學”顧名思義分為微米光學(簡稱微光學)和納米光學兩部分，即微米和納米尺度上的光學研究。”付永啟在接受采訪時，首先談到了微納光學的研究情況。

據付永啟介紹，微光學是基于微細加工技術、研究微米尺度的微光學元器件設計、制作以及應用的學科。而納米光學主要研究光的空間傳播范圍在納米尺度時的倏逝波特性，并通過基于近場光學結構的納米探針來描述和控制的過程及應用。

“在納米光學研究中，作用于近場的光學系統突破了傳統的衍射極限限制，能夠對納米光學結構進行空間分辨率在納米量級的分析；同樣，通過基于亞波長光學結構或器件，能夠實現高密度的數據存儲，不但可以實現微米范圍的成像，也可以實現高清晰度的相位合成、單分子探測以及局部區域光譜分析。”

正是這些獨特的優勢，使微納光學自產生之日起，便始終處于研究者關注的中心，并愈發活躍。

雖然我國在微納光學領域已經取得了一定的成果，但同國際相比，無論在基礎研究還是應用轉化方面都存在一定差距，總的來看原創性技術太少，能夠轉化為產業、推動光電子產業發展的更少。

付永啟認為，要使微納科學與技術為人類造福，必須從基礎研究做起，打下堅實基礎的同時，緊密結合產業領域發展需求，準確把握市場方向，重點攻關，進而帶動全面發展。

而付永啟的研究成長過程，也恰巧暗合了微納光學從基礎研究到產業應用，以點帶面的發展路線。

世界微納光學蓬勃發展的1990年代，付永啟走進了這一領域。

1994年，付永啟在中科院長春光機所研讀博士，“當時是跟導師一起做國家航天‘921’項目中的一個子項目——‘動態目標發生器’的研究，我主要負責曲面光刻的研究。”那是他接觸到微光學并逐漸對微光學元器件的設計制作產生興趣的開始。

在博士后研究階段，付永啟又接著在衍射光學元件的設計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精密工程與納米技術中心作研究員，借助當地優越的軟硬件條件繼續深入開展微光學以及后期納米光學領域的研究工作。

在新加坡，通過與科研院所及工業界的合作，付永啟開展了多個橫向和縱向項目研究，接觸到了微電子、微機電系統(MEMS)、微納加工、納米計量、及生化分析等多學科領域的知識，先后完成了多項重大研究課題，并取得了許多創新性成果。

2001年，付永啟將目光專注到了一種新的微納光學元件一步加工制作方法——聚焦離子束制作技術上，經過兩年的反復研究、實驗，終于獲得成功并使技術逐漸成熟。

付永啟利用納米加工技術實現了微光學元件與光電子元/器件的集成一體化，即利用聚焦離子束技術直接一步將微光學元器件甚至納米光子元器件與光電子器件集成于一體，從而達到直接控制光束的目的。這一技術擺脫了傳統的采用離散光學元件對激光束進行準直或聚焦的方法，不但減少了系統元件數，而且節省了空間，更容易實現系統的輕量化和小型化，對微系統的開發具有重要意義。

同時，他還發現了兩種材料，它們在聚焦離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元件的結構成型。以該技術為基礎，能夠制作出幾種特定的微光學元件，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現了微光學元件與光電子元/器件的集成一體化，為光學系統的小型化、微型化、平面化提供了制作技術保障。該集成一體化元/器件已經廣泛應用于生命科學、生化、通信、數據存儲等領域，至今仍在應用，還沒有其他方法能夠替代。

值得一提的是，聚焦離子束技術在微電子行業的廣泛應用，大大提高了微電子工業上材料、工藝、器件分析及修補的精度和速度，目前已經成為微電子技術領域必不可少的關鍵技術之一。同時，由于它集材料刻蝕、沉積、注入、改性于一身，有望成為高真空環境下實現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精密工程與納米技術中心超凈室內的聚焦離子束設備(型號Micrion 9500EX)旁的工作照

毅然回國，助力產業發展

2007年，付永啟放棄國外優越的待遇和生活，帶著累累碩果和先進理念回國，受聘于電子科技大學物理電子學院。9年的國外工作和生活經歷，使付永啟真正體會到“國家”二字的含義，而回國發展也正是其心之所向。

隨著科技的進步和需求的轉變，目前國內微納光學技術研究主要集中在基于特異性材料的微波天線、隱形技術、納米光刻等幾部分，研究趨勢也朝著更加實用性發展，包括軍用和民用。而在產業方面，付永啟認為應重點結合能源和生命科學等熱門領域的需求，積極探索，主動推進，研發出具有代表性的產品，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。

在學校和所在團隊的支持下，付永啟在納光子結構、元器件及其應用方面取得多項國家自然科學基金項目的資助，目前主要在納光子結構的精細聚焦及成像研究，包括基于納光子結構的超分辨聚焦成像、負折射材料的制備及應用、近場表征等方面開展進一步的深入研究，并推進其盡快走向應用。

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

他認為創新更加需要自由開放的教育環境和多維度的思維模式，有源之水才能長久，有本之木才會繁茂。

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

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，在微納光學的“微小”世界中，繪就無與倫比的精彩！