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#光帆 #光子晶体 #超表面 #介质反射镜 #宽带反射镜

摘要：高度雄心勃勃的计划旨在通过激光的辐射压力推动一艘微型航天器前往邻近的恒星，目标是在一个人类世代内实现这一壮举。实现这一巨大目标的一个主要挑战是构建具有宽带反射率的米级超低质量光帆。在这项工作中，我们展示了由两层不同的介质层组成的光帆设计和制造，该光帆具有光子晶体/超表面结构，覆盖在4英寸的晶圆上。我们实现了在航天器加速过程中，跨越整个多普勒偏移的激光波长范围，具有超过70%的宽带反射率，并且在扩大到米级尺寸时，总质量保持在几克的范围内。此外，我们还探索了在宏观区域内可靠地制造这些亚波长结构的新途径，并系统地表征了它们的光学性能，确认了它们在未来光帆应用中的适用性。我们的创新设备和精确的纳米制造方法代表了迈向星际探索的重要一步。

关键词：光帆、光子晶体、超表面、介质镜面、宽带反射、星际探索

European Research Council

Netherlands Organization for Scientific Research

在追求星际探索的过程中，将航天器推进到邻近的恒星系统的梦想几十年来一直令人着迷。在这个雄心勃勃的追求中，星际突破计划（Starshot Breakthrough Initiative）已成为一个领先的平台，旨在将来自众多不同领域的科学家和工程师聚集在一起，其目标是将在人的一生内将航天器送往我们最近的恒星邻居——比邻星。该使命的核心概念是激光驱动的光帆。一旦实现，这种光帆技术将使许多其他突破性的空间探索任务成为可能，例如在数天而不是数月或数年内探索我们的太阳系，并利用太阳引力透镜（SGL）进行非凡的成像。由于SGL的最佳焦点位于距离地球548天文单位（AU）以上的地方，光帆在此任务中不可或缺，因为这个庞大的距离要求光帆将相机送到SGL的焦点，并进行精确定位，从而能够捕捉到30秒差距的系外行星的高分辨率图像，具有10公里尺度的表面分辨率，这是传统航天器推进方法无法达到的。这个任务所面临的根本挑战是开发一种轻量级的航天器，它能够通过激光束推进到极高的速度，达到光速的20%。与传统的推进系统不同，激光驱动的光帆依赖辐射压力来实现星际旅行所需的巨大速度和加速度，这要求光帆设备具有较大的面积、低质量和宽带反射性能。以往的研究已深入探讨了设计实用光帆的若干关键材料要求，表明光帆必须具备极端的光学、机械和热学性能，以满足质量和帆形的约束。

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以往的研究模拟了在实际约束下光帆可能的解决方案。例如，已有研究表明，通过使用反向设计和大规模优化，基于堆叠光子晶体板的轻量宽带反射器可为相对论性光帆推进提供加速距离性能的潜在改进。同样，研究还表明，优化的多层结构能够使超轻航天器在保持效率和重量平衡的同时，维持高加速度。这些层的材料选择至关重要，确保在多普勒偏移的激光波长范围内具有较高的反射率。尽管不同的研究已仔细分析了光帆的设计、稳定性和加速度特性，但截至目前，尚未有实验实现这种光帆。

实现可行光帆设计的关键挑战之一在于构建一个能够覆盖航天器高速加速阶段期间多普勒偏移激光波长光谱的宽带反射器。早期开发此类宽带反射器的努力包括使用InP 2D光子晶体和Fano共振器。然而，这些尝试局限于非常小的区域，且未能完全释放基底。此外，后续的研究中，加入的SiO2层不可避免地填充了光子晶体层的孔洞，导致反射性能下降。更详细的讨论可参考相关文献。在本研究中，我们通过开创性地采用双层膜结构，解决了激光驱动光帆的材料和设计挑战，其中光子晶体硅氮（SiN）层位于平硅层之上，借鉴了传统光子晶体设备所展现的高反射性以及超表面设备所提供的增强功能性和可调性。我们新颖的方案包括在光子晶体膜下方加入高折射率层，显著扩展了反射光谱范围。双层配置实现了超过70%的宽带反射率，覆盖1300至近1550纳米的范围，而传统的单层光子晶体只能提供数十纳米范围内的反射率。此外，我们建立了完整的制造流程，使用硅氮（SiN）在硅基片上进行硅片工艺（SOI），并采用新的纳米制造协议，这将使这些结构从4英寸硅片规模扩大到未来星际探索所需的平方米规模。光帆及其关键性能特征的艺术展示如图1所示。

图1. 本研究中实现的光帆概念及其主要性能参数的插图，包括尺寸、工作波长、反射性能和质量。

接下来的部分，我们将详细阐述四种不同类型光帆结构的设计和仿真结果，并强调基于双层膜的光帆在推动星际探索前沿方面的卓越表现。为了设计和仿真不同介质结构的反射特性，我们采用了电磁场仿真软件（CST Studio Suite）。我们通过椭圆测量首先确定了我们特定硅（Si）和高应力硅氮（SiN）膜的折射率，nSi = 3.4，nSiN = 2.0。首先，我们计算了经典单层光子晶体周期结构的特性，如图2a所示。在此配置中，SiN作为介质材料，光子晶体的参数为p1 = 1200纳米（晶格常数）、h1 = 200纳米（厚度）、r1 = 500纳米（孔半径）。我们使用有限差分时域（FDTD）法进行了仿真，电磁波沿z方向入射，电场极化方向为x方向，并施加周期边界条件。仿真结果如图2e中的蓝色曲线所示，反射率在其峰值波长处超过99%。正如这种类型的光子晶体所预期的那样，我们观察到其在1330到1380纳米之间的反射率超过70%，对应带宽为50纳米。

图2. 不同光帆结构的模拟光学性能及快速移动航天器的多普勒效应。面板（a）−（d）分别展示了单一SiN光子晶体、SiN/Si双层平膜、SiN PhC/Si双层膜和SiN/Si双光子晶体结构的侧视图/俯视图。在面板（e）中，我们比较了每种设计的反射率，面板（f）则展示了光帆从低速到达到光速20%的多普勒效应。插图位于左上方，展示了单层光子晶体设备、元光子晶体（MPhC）设备以及带有硅框架的元光子晶体设备的尺寸-重量关系，以增强结构强度。面板（g）展示了SiN PhC/Si双层膜结构中光子晶体周期值从1.15到1.3μm的参数变化，展示了通过修改光子晶体层参数如何灵活调节该设计的反射率峰值位置。

然而，由于其共振特性，光子晶体在反射带宽上本质上受到限制。为了增加反射带宽并借鉴最近的超表面设备，我们在SiN下方引入了硅光学阻抗匹配层。作为第一步，我们模拟了这种方法如何影响宽带反射特性，并将两层视为简单的连续介质膜（如图2b所示）。制造这种结构比光子晶体设计要简单得多，且已经显示出反射率在1385至1475纳米的波长范围内超过70%（图2e中的红色曲线）。尽管整体峰值反射率比单层光子晶体低，且总体质量更大，但这种方法在增加反射带宽方面有显著提高。

通过将光子晶体层与下面的第二层高折射率材料相结合，我们现在可以创建一种新型结构，称为元光子晶体（MPhC）。在SiN下方的匹配层采用硅（如图中红色部分所示），其厚度为321纳米，由我们为本研究选择的特定SOI硅片提供。新的光子晶体层的参数为p3 = 1200纳米，h3 = 400纳米，r3 = 500纳米。采用相同的方法，我们模拟了MPhC的反射率，其在1300至1500纳米的整个波长范围内超过70%，峰值反射率大于99%（图2e中的绿色曲线）。这种反射带宽的显著提升（约200纳米），几乎是原始结构的四倍，同时保持了整体的高反射率，显示出它在宽带反射需求应用中的巨大潜力。

最后，为了完整性，我们还研究了光子晶体完全通过两层蚀刻的设计，如图2d所示。由此得到的反射率如图2e中的紫色曲线所示。该设计在1300至1500纳米范围内表现出多个共振峰，因此我们不会继续采用这种设计进行制造过程。

元光子晶体的新设计使我们能够实现一个宽带反射器，该反射器无缝覆盖激光在光帆加速阶段的整个多普勒偏移波长范围，同时保持其极低的质量。图2f的左上方图示了不同设备的尺寸-重量关系：单层光子晶体（蓝色）、元光子晶体（红色）以及带有硅框架的元光子晶体（黑色）。框架预计由硅制成，厚度为200微米，每个边缘宽度为2毫米，旨在承受高强度。显然，即使有硅框架，2平方米的元光子晶体设备的总重量仍然低于8克，符合光帆的重量约束。此外，关于材料的具体属性，例如光学吸收和机械变形，请参阅文献。为了提供具体的上下文，激光初始波长为1300纳米，用于将光帆加速到接近光速的20%，其波长将经历显著的偏移，从1300纳米转移到大约1550纳米，如图2f所示。多普勒偏移是通过相对论的多普勒效应公式计算的（参见图2f中的公式），其中λr是加速过程中观察到的光帆波长，λs是地球上的激光波长，β = v/c是光帆速度与光速的比值。值得一提的是，通过改变光子晶体层的参数（例如晶格常数），元光子晶体光帆的峰值反射位置可以轻松调节。如图2g所示，通过将晶格常数从1.15增加到1.3微米，反射率峰值从1300纳米以下变化到约1420纳米。这为设计具有可调光学响应的光帆或其他光学元件（例如超透镜、集成光子学器件或自由空间光学设备）提供了很大的灵活性。

小尺度光子晶体的制造已得到充分确立，我们采用了与先前工作相似的方法。对于元光子晶体设备，如图3a所示，制造过程从使用商业SOI硅片开始，硅片厚度为321纳米，埋氧层（BOX）厚度为394纳米，底部有一个约500μm的硅承载硅片。接着，通过低压化学气相沉积（LPCVD）在SOI硅片的两侧沉积400纳米厚的高应力化学计量硅氮（Si3N4）薄膜，如文献中所述。硅氮层和硅层的厚度通过椭圆偏振测量进行确认。经过LPCVD工艺后，4英寸的硅片被切割成1×1 cm的小片。我们挑选单个芯片，并在其正面（即MPhC面）旋涂正电子束光刻胶AR-P 6200系列（CSAR 62），然后使用Raith EBPG 5200进行电子束光刻，施加100 kV加速电压。开发过程（使用戊基醋酸酯处理1分钟，再用异丙醇处理1分钟）和硅氮等离子刻蚀使用CHF3/O2混合气体，光子晶体图案（如前面的设计和仿真部分所模拟的）被转移到硅氮层上。然后，在芯片正面表面旋涂S1813光刻胶，作为保护层，在芯片的背面旋涂AZ10XT光刻胶，为下一步加工做准备。芯片背面带有AZ10XT光刻胶的部分然后在海德堡激光刻写机（μMLA）中曝光，并开发出直径约3mm的圆形开口。在这里，我们使用圆形开口，因为它通过减小边缘处的应力集中，从而提高了最终双层膜的存活率。接着，使用相同的CHF3/O2等离子刻蚀过程首先去除芯片背面400纳米厚的硅氮，然后使用深反应离子刻蚀（Bosch工艺）去除500μm的硅承载层。有关此Bosch工艺的更多细节，请参考之前的工作。完成硅刻蚀后，可通过光学显微镜观察硅和硅二氧化物之间的颜色对比来确认（见图3d，其中SiO2的颜色比硅浅），最后使用SF6气体进行各向同性硅刻蚀去除BOX层。然后，小心地将芯片从硅承载硅片中取出，并用热丙酮和异丙醇清洗，得到如图3b所示的清洁硅氮/硅双层膜设备。

图3. 光帆的制造流程图，从SOI硅片开始，并展示不同制造步骤中的样本图像。面板（a）展示了详细的元光子晶体制造过程，面板（b）−（e）展示了光帆在制造过程中不同步骤的光学图像。（f）为光帆设备的扫描电子显微镜（SEM）图像，（g）为4英寸光子晶体图像。

值得注意的是，400纳米高应力硅氮和321纳米硅双层膜展现出了显著的机械弹性，导致在整个制造过程中以及从硅承载硅片最终脱离时具有较高的膜存活率。此外，整个刻蚀过程中，芯片与硅承载硅片之间使用厚且柔软的热粘合剂，配合先前施加的旋涂S1813光刻胶，确保了设备的高产率。

为了提供更多细节，我们展示了图3b中的典型光学图像，显示了一个1×1 cm的芯片，中央有4×4 mm的光子晶体区域（彩虹色）。同样，图3c展示了芯片背面带有圆形开口的部分，这样的设计相比矩形开口具有更高的设备产率（超过75%），因为背面开口的尖角会导致膜损坏，这是我们最初几轮制造中的经验教训。正如前面所提到的，当深硅刻蚀几乎完成时，通过背面开口的边缘可以看到正面光子晶体结构，这可以通过光学显微镜观察到（图3d和3e）。然后，我们停止了Bosch工艺，并转向使用SF6气体的各向同性硅刻蚀，以去除394纳米的BOX层。光子晶体结构通过扫描电子显微镜（SEM）图像得到确认，如图3f所示。

本研究中开发的专用制造工艺不仅可以用于生产厘米级光帆，更重要的是，它可以直接扩展到更大的尺寸，例如4英寸硅片级制造过程，如图3g所示。硅片中间的彩虹色区域是通过电子束光刻和等离子刻蚀形成的光子晶体，颜色源自散射的白光。为了使用电子束光刻对这样的大片设备（大约2.3×10^9个孔）进行图案化，我们采用了一种自定义程序（称为“txl2gpf”）来生成Raith EBPG模式数据格式中的GTX文件。这些文件包括光束位置序列，允许创建单一形状的高分辨率圆形（具有0.08纳米的子场分辨率）。与使用多个光束步进分辨率矩形（范围从2到5纳米）形成圆形的方法相比，这种方法能够显著提高圆形质量并显著缩短电子束写入时间。这样一个4英寸硅片样品的电子束写入总时间大约为5−7小时，采用的相对较大光束直径约为100纳米。需要注意的是，在该样品上没有执行深硅刻蚀，因为干法刻蚀会导致如此大尺寸设备的刻蚀均匀性变化。然而，通过采用湿刻蚀（例如，使用氢氧化钾（KOH）湿刻蚀工艺）对硅和SiO2进行湿刻蚀，可以轻松克服这一挑战，从而获得大规模的光帆设备。为了进一步扩大制造规模，可以使用更大的硅片，或者将多个4英寸光帆设备连接在一起，组装成一个平方米大小的光帆，随后可以在激光推进的帮助下将其送入深空。

为了测试所制造的样品并通过测量确认我们的仿真结果，我们使用了如图4a所示的测试装置。该装置采用一台可调激光器，发射波长范围为1280−1600 nm，用作光源。激光器后面是一个偏振控制器（PC），我们使用它来最小化在偏振分束器（PBS）后的光电探测器1（PD1）检测到的信号，确保输入光为线偏振（p偏振）。随后，透射光通过一个四分之一波长波片，将其偏振从线偏振转换为圆偏振，之后到达光帆样品。透过设备传输的光被PD2捕获并记录为Ptrans，相反，反射光被PD3测量，以获得反射功率Prefl。

图4. 制造的光帆样品的表征，包括（a）光学测量装置和（b）光子晶体（PhC）和元光子晶体（MPhC）样品的测量。更多细节请参阅正文。

由于光学装置中存在一些小的固有损耗，如激光束的对准误差或光学组件的缺陷，从而使得一小部分总输入激光功率损失。因此，Prefl + Ptrans略低于Pin。为了量化这些损耗，我们使用商业金属镜进行系统校准，如文献37所示。图4b展示了系统损耗（由灰色星标表示）在1300到1550 nm波段之间，通过金镜测量Prefl + Ptrans与Pin之间的差异。整体系统损耗在5%到7%之间，主要归因于金属镜本身，相关数据来自制造商的说明书（图4b中的金色星标）。

校准完成后，我们评估了首批制造的MPhC光帆芯片，每个大约为4 × 4 mm大小。如图4b中的粉红色点所示，MPhC样品（表示为“SiN PhC + Si”）在1300到接近1550 nm之间实现了宽带反射（70%的反射率阈值由黑色虚线表示）。其峰值反射率在1330 nm处超过90%，带宽接近200 nm。相应的透射率由浅蓝色点表示。考虑到上述系统损耗，校准后的反射率（由紫色点表示）也展现了类似的宽广性能，在1330 nm处的峰值反射率超过91.5%。红色和蓝色曲线分别表示光帆的模拟反射率和透射率。仿真与测量之间的差异归因于制造偏差或测量装置中的缺陷。

与此相比，典型的单层硅氮光子晶体（称为“SiN PhC”）仅在1525至1575 nm之间实现大于70%的反射率，带宽为50 nm。该带宽显著窄于双层光帆设计，突显了MPhC设备的优越性能。关于单光子晶体和MPhC设备之间反射差异的详细理论解释，请参阅补充信息。

值得一提的是，由于设备包含具有相同晶格常数的相同圆形孔，并且在正交的x和y方向上具有相等的周期性，因此其反射率对于入射光的偏振是独立的。测量装置与我们之前的工作相似，使用偏振分束器（PBS）后跟四分之一波片，可以将入射光和反射光束在PBS处分离。因此，它显示了反射器对所有偏振状态均有效，因为入射到设备上的场可以直接分解为水平和垂直偏振。此外，由于所提议结构的反射是偏振独立的，这使得该设备适用于引力透镜和太阳帆等应用，在这些应用中，阳光天生具有宽带和非偏振的特性。此外，光帆推进的高功率激光系统的开发仍然是一个重要挑战，涉及到成本和工程问题，必须解决这些问题才能在未来实现光帆加速。此外，还需要考虑和解决其他相关的技术挑战，包括但不限于光帆热管理和稳定性。

总结来说，我们的研究开创性地发展了一种光子晶体/超表面双层结构，用于激光驱动的光帆，克服了星际旅行追求中的关键挑战。我们创新的设计采用了硅氮光子晶体和薄硅膜，实验验证了其优异的高反射率（在1330 nm时超过91.5%）和宽带反射率（从1300 nm到1500 nm超过70%）。这种宽广的反射光谱对于适应光帆加速过程中多普勒偏移的激光波长至关重要。专用的制造工艺涉及精确的技术，包括硅片级纳米光子结构图案化和深硅刻蚀。严格的光学测量和理论分析确认了我们光帆的性能，标志着光帆设计和制造的重大进展，并验证了其未来星际探索的能力。

展望未来，光帆研究的范围扩展到米级尺寸，可以通过湿化学刻蚀等方法实现，从而获得大型、自由悬挂的反射面。此外，我们的研究虽然聚焦于SiN/Si双层结构，但并不限于此材料体系。具有显著折射率对比的双层结构，例如SiN/SiC或普通的SiN/富硅氮化硅，也可以用于设计宽带反射器，可能最小化任何残余吸收。此外，这种高反射率、宽带反射结构也可能在许多其他领域发挥重要作用，包括光电设备、集成光学和超材料及其设备，为未来应用开辟了新可能性。