动量空间成像光谱设备的研制与产业化应用

复旦大学光子晶体课题组长期聚焦光子晶体等微纳光子材料的光场调控研究和针对微纳材料和器件的先进光学量检测技术的开发和应用，与上海复享光学股份有限公司合作在基础创新、技术突破和产学研转化方面取得了一系列成果。

一、项目分类

显著效益成果转化

二、成果简介

当今，光，作为几乎所有远程探测的手段和信息传播的媒介，对光的多维度测量分析和自由调控，既直接关系到未来信息收集、处理和传输的灵敏度和速率，也与先进微纳制造的精度、效率和能耗等诸多国家核心技术的竞争力息息相关。

在基础创新方面：

①动量空间光学测量思想：光与微纳结构的相互作用遵循频率-动量色散关系，也被称为光子能带。在原理上，类似于半导体利用其电子能带操控电子，光子晶体等微纳光子材料也可以通过光子能带操控光。而光子能带的本质存在于动量空间。相比于已经商业化的可探测固体材料动量空间中复杂电子能带的多维度角分辨光电子能谱设备，针对光子晶体等光子材料动量空间中光子能带的多维度光谱测量技术和设备在全世界尚属空白，亟需发展。团队突破了传统光谱测量思路，提出了从动量空间视角量检测微纳光子器件光学性能的思想。

②适合微纳尺寸器件的动量空间成像技术：微纳尺寸的测量依赖显微镜。但显微技术在追求实空间分辨率的同时丧失了动量空间的分辨能力。此成果将傅里叶光学技术与显微技术相融合，解决了动量空间成像的像差和色差问题，实现了实空间和动量空间的双高分辨率。

③多维度光学信息提取：相位和偏振态是可供光子器件信息调制的新自由度。团队将时域外差干涉技术延拓到具有显微分辨能力的动量空间外插干涉技术，单次成像实现了在光波长尺寸内40毫弧度的相位测量精度。同时，建立了适合于动量空间成像测量技术的耦合模理论，实现了在非相干的白光照明下任意椭圆偏振态的测量。

④光学量测中国解决方案：处于芯片产业上游的微纳制程光学量测环节，是芯片良品率控制的关键。在此关键领域，我国远远落后于国际先进水平。动量空间成像光谱技术所采集的多维度光谱信息富含微纳结构的三维形貌信息。团队提出并实现了基于动量空间成像光谱技术的全新光学微纳制程量测新原理和新技术。该原理利用深度神经网络构筑了微纳米尺度结构与动量空间色散的构效关系和映射。同时，由于在所测量的色散关系中包含了冗余的结构信息，因此在实际技术应用中极大优化了量测逆问题中测量噪音带来的病态问题。

⑤相关成果：团队以通讯作者发表1篇Nat.Photon.，1篇Nat.Commun.，3篇PRL，4篇Light：Sci.&Appl.，1篇Sci.Bull.，1篇Light:Advanced Manufacturing等国内外高水平期刊论文。动量空间成像光谱技术使动量空间得以被直接实验观测，并成为发现新光场调控机制的眼睛。团队利用此技术首次实验揭示了动量空间中存在具有拓扑奇点的偏振场，提出了动量空间中光场调控的新思路，开辟了光子晶体在全偏振态、涡旋光束生成和光束位移操控方面的新应用。由于周期性光子晶体无几何中心，因此不需光学对准，具有应用价值，成果被评为2020年度中国光学十大进展，入选ISI高被引论文。日本NTT首席科学家Notomi在Nat.Photon.上以"动量空间中的拓扑成真"为题对团队工作进行专题报道，给予高度评价。

在技术突破方面：

①在国际上首次实现了广谱符合阿贝正弦关系的动量空间成像光谱设备。其中动量分辨率小于1.7毫弧度，实空间分辨率小于600纳米，相位分辨率小于40毫弧度，最大偏振度误差小于1%，波长分辨率小于0.1纳米。

②结合产业需求和动量空间成像光谱技术的优势，提供了一系列产业问题的分析解决方案，包括利用动量空间偏振依赖的辐射分布量测发光分子三维取向分布和利用动量空间光子色散关系逆向量测微纳结构纳米精度的三维形貌等。实测结果达到亚纳米分辨稳定性和98%以上的置信度，测量膜厚与计量认证厚度差异小于5埃。

③相关成果授权发明专利9项，在申请PCT国际专利2项。

与复享光学产业化完成世界首台商用动量空间成像光谱设备和宏观角分辨光谱设备，填补了世界空白，被认定为上海市高新技术成果转化项目。近六年相关产品已销售90台以上，产值4800万元，为国纳税610万，服务客户98家，包括国内清华北大，美国加州大学河滨分校和韩国光云大学等多所高等院校及科研院所和天合光能，歌尔光学，华为，京东方，中国人民银行铸币厂等国家重点企事业单位，得到国内外广泛使用。国内市场占有率超过85%（中国电子专用设备工业协会证明）。所研发设备已在139篇学术论文中明确被标注使用，助力科技创新，展示了中国高端科研仪器和工业设备形象。韩国Sangshin Lee教授在发表论文中致谢了我们的光谱设备。全球排名前五的材料科学家殷亚栋教授指出“我们的设备服务了全球微纳光子学研究”。相关设备也正在服务山东歌尔光学的增强现实光芯片量测需求，歌尔光学指出“国内外市场尚无商用设备,有望实现国产化设备抢先占领和满足AR光学量测市场的核心需求。”

本动量空间成像光谱设备的研制拓展了光谱分析技术的维度，以一种非侵入、非破坏的形式，在动量空间研究分析样品微纳三维结构、光学特性等各种微观信息，是一种非常理想的集成电路、光电子芯片检测手段；随着该项技术的研究开发，对于微观尺度结构的分析应用将愈加广泛，生物检测、生物芯片的研究应用具有可观的前景；同时，针对光谱模组硬件和解谱算法的研究对于推动光谱分析技术进步具有十分重要的意义。

根据本单位对市场、产品的分析，预计所研发的动量空间成像光谱设备和宏观角分辨光谱设备针对集成电路、光子/光电子芯片产业，以及支撑这些产业发展的基础科研领域，将在3年内实现3000W销售额，5年内实现1亿销售额。

与复享光学共同承担建设的上海微纳制程智能检测工程技术研究中心，在2021年底获得上海市科委验收通过，项目建设期内共培养博士研究生4名，在上海市公共服务平台共享包括原型样机系统在内的大型共享设备10套，进行专业培训200人次，为光谱检测技术领域输出中坚力量。基于合作成果，在2021年底，复享光学与复旦大学签订合同，直接投资1000万元/3年在复旦大学成立光检测与光集成校企联合研究中心。同时，复享光学还将在上海浦东扩充生产场地约2500平方米，用于研发和制造应用于高端光谱仪与光谱量检测模组的相关设备及产线，提供就业岗位50个，响应国家“增强产业链供应链自主可控能力”政策，组织高端光谱仪与光谱量检测模组的协同攻关。

ZL201310114735.2；ZL201810101383.X；ZL202010305955.3; ZL202010474340.3；ZL201911017799.4；ZL202011312192.1； ZL201810280357.8；ZL 202110225675.6；ZL202010650983.9； PCT/CN2020/108604； PCT/CN2021/074611。