在微纳光学与集成光电子学领域，具有超精细和深亚波长特征的人工纳米结构已成为先进光场调控的关键平台，广泛应用于高性能集成光电子芯片和超薄平面光学器件。随着光电芯片的多功能集成和特征尺寸微缩，现有电子显微镜等依赖电子轰击结构的成像检测技术，尽管分辨率高，其检测通量小、成本高、破坏性测量的弊端已经远远不能满足当前光电芯片和微纳器件对高精度、高通量、无损检测的需求。光学远场显微镜凭借其非破坏性和高通量优势，近年来在纳米结构表征中受到广泛关注，但在集成光电子芯片的检测中，针对密集集成百纳米特征尺寸微结构的高分辨率成像仍是一个亟待解决的挑战。基于此，北京邮电大学集成电路学院张天悦副研究员和张杰教授，与暨南大学物理与光电工程学院李向平教授的联合团队，发展了一种基于光热非线性散射显微镜（Photothermal Nonlinear Scattering Microscopy）的新型成像技术，能够实现对深亚波长尺度的纳米光电芯片进行直接光学成像检测，分辨率突破光学衍射极限，达到了80纳米以下（约为光波长的七分之一）。相关成果以“深亚波长集成光电芯片的纳米光子检测（Nanophotonic inspection of deep-subwavelength integrated optoelectronic chips ）”为题，于2025年1月25日在线发表于《科学进展》（Science Advances）杂志，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr8427本研究中提出了一种基于光热非线性散射显微镜（Photothermal Nonlinear Scattering Microscopy）的新型成像技术，用于突破衍射极限的集成光电子芯片直接成像。研究团队通过分析深亚波长纳米结构中支持泄漏共振（leaky resonances）的固有耦合机制，发现其能够显著增强光热效应，从而实现共聚焦反射强度的可逆非线性调制。具体而言，当纳米结构吸收光能量时，由于热光效应（thermo-optic effect）导致折射率变化，进而引起共振频率的红移，这种变化会根据共振峰相对于激发波长的位置，导致反射率随激光功率增加而增加（超线性）或减少（亚线性）。基于这种非线性响应，研究团队构建了独特的非线性点扩散函数（Nonlinear Point Spread Functions, PSFs），并通过共聚焦扫描成像实现了超越衍射极限的高分辨率光学成像。实验中，研究团队以标准硅基光子集成电路（Silicon-on-Insulator, SOI）平台为基础，制备了高度为220 nm、宽度约为100 nm的矩形硅纳米线（Si-NWs）阵列，并利用有限差分时域方法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）对其光学吸收效率进行了模拟分析。结果表明，即使在深亚波长尺寸下（如50 nm宽的纳米线），仍能观察到显著的光学共振效应，且这些共振模式主要来源于泄漏模式共振。通过构建纳米线阵列，进一步增强了吸收效率，尤其是在硅的损耗光谱区域。实验中，研究团队利用532 nm连续波激光激发样品，并通过共聚焦显微镜系统检测反射光强度。实验结果显示，在特定的激发强度下，纳米线阵列的反射强度表现出明显的超线性和亚线性非线性行为，与模拟结果一致。基于这种光热非线性效应，研究团队成功实现了对硅纳米线阵列的超分辨成像。实验中，研究团队展示了在160 nm周期的硅纳米线阵列上，利用光热非线性成像技术实现了80 nm（约为波长的1/7）的实验分辨率，显著超越了传统共聚焦显微镜的衍射极限。此外，该技术还被应用于多种集成光电子结构的成像，包括具有100 nm最小关键尺寸的硅光栅耦合器、超透镜，以及45 nm工艺的英特尔酷睿处理器芯片。实验结果表明，光热非线性成像技术能够清晰分辨这些结构中的亚衍射特征，为集成光电子芯片的原位、无损、高通量光学检测提供了新的可能性。图3 光热非线性散射显微技术应用于多种光子结构体系超分辨成像实验结果本研究的核心贡献在于提出了一种基于光热非线性散射的新型成像方法，通过利用深亚波长纳米结构中的泄漏模式耦合效应，实现了对集成光电子芯片的超越衍射极限的高分辨率光学成像。该方法不仅为微纳光学领域的高分辨率成像技术提供了新的理论和实验依据，还为集成光电子芯片的检测提供了一种非破坏性、高通量的解决方案。未来，该技术有望进一步拓展至更广泛的应用，如纳米光子集成电路、超表面和金属纳米结构的高分辨光学在线检测，为推动光学精密制造及检测技术的发展提供重要的技术支撑。
