摘要：近日，北京邮电大学集成电路学院张天悦副研究员与暨南大学物理与光电工程学院李向平教授的联合团队，提出了一种基于光热非线性散射显微技术（Photothermal Nonlinear Scattering Microscopy）的创新解决方案，能够实现对深亚波长尺度
近日，北京邮电大学集成电路学院张天悦副研究员与暨南大学物理与光电工程学院李向平教授的联合团队，提出了一种基于光热非线性散射显微技术（Photothermal Nonlinear Scattering Microscopy）的创新解决方案，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）。该成果以题为「Nanophotonic inspection of deep-subwavelength integrated optoelectronic chips」发表在Science Advances。论文共同第一作者为暨南大学物理与光电工程学院博士后车颖和北邮集成电路学院张天悦副研究员，共同通讯作者为张天悦副研究员和暨南大学李向平教授。
随着集成光电子芯片向更高性能和小型化发展，其核心结构的特征尺寸已缩小至深亚波长尺度（
设计思路和工作原理
光热效应是一种常见的光与物质相互作用形式，是指材料吸收光能后转化为热能导致局部温度升高。由温度升高引起的材料折射率的变化，即热光效应，会反过来影响纳米结构的光学性质。因此当激光聚焦于介质纳米结构时，其光热-热光的协同作用会引发结构共振光谱的红移，依据共振峰相对于激发波长的位置，散射光强出现随激光功率增大而增加（超线性，superlinear）或减少（亚线性，sublinear）的非线性响应。这种非线性响应会引起等效的非线性点扩散函数（nonlinear point spread functions, PSFs）发生改变，从而通过共聚焦扫描成像实现超越衍射极限的高分辨率光学成像（图1所示）。
图1 | 光热非线性散射显微技术原理图。
泄漏共振耦合增强光热效应
研究团队以矩形硅纳米线为基础，利用时域有限差分方法对其光学吸收效率进行了模拟分析。结果表明，即使是深亚波长尺寸（如50 nm宽）纳米线仍支持光学共振，且这些共振模式主要来源于电/磁多极子泄漏模式共振。而紧密排列的纳米线阵列，因结构之间固有的光学耦合效应，显著提升光吸收效率和光热效应，为光热非线性信号调制提供了基础。
图2 | 泄漏模共振耦合增强光热效率。
非线性PSF突破衍射极限
实验中，研究团队以标准硅光子集成电路Silicon-on-Insulator（SOI）平台为基础，制备了高度为220 nm、不同线宽间距及周期的矩形硅纳米线阵列。利用532 nm（位于硅的吸收波段）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。光热效应导致反射信号随激光强度非线性变化，使成像系统的PSF被有效压缩。通过调控激光偏振（TE/TM模式），可切换超线性（PSF变窄）或亚线性（PSF中心凹陷）响应。在400 nm周期阵列中，传统共聚焦成像无法分辨相邻纳米线，而光热非线性成像清晰呈现单根线宽200 nm的独立结构。进一步将周期缩小至160 nm（线宽80 nm，间距80 nm），仍能清晰解析出λ/7的纳米线结构。
图3 | 光热非线性实验测量结果。
多场景成像检测能力验证
该技术还被应用于多种集成光电子结构的成像，实验上成功解析了硅光栅耦合器、超透镜及45纳米工艺CPU芯片内部结构（线宽65纳米）的亚衍射特征，并且展示了对亚波长缺陷的检测能力（如纳米线桥接的缺陷识别定位）。
图4 | 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。
总结与展望
该技术的核心创新在于利用了光电芯片中密集集成百纳米特征尺寸微结构的共振耦合特性，将单个纳米结构的微弱非线性效应放大，并通过非线性点扩散函数实现分辨率跃升。相较于荧光超分辨（如STED或单分子定位）及其他超分辨成像技术，该方法无需荧光标记或复杂光路改造，兼容商用激光共聚焦显微镜，具有低成本、高稳定性和无损检测的优势。这项技术不仅为微纳光学领域的高分辨成像技术提供了新的理论和实验依据，还为集成光电子领域的制造检测提供了一种原位无损、高通量的解决方案，有望在半导体制造、纳米光子学、生物医学成像等多个领域发挥重要作用，推动相关技术的进一步发展。
论文信息：
Ying Che et al. , Nanophotonic inspection of deep-subwavelength integrated optoelectronic chips. Sci. Adv.11 ,eadr8427(2025).
--中国光学
来源：Future远见
