▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

▍導讀

近日，北京理工大學姜瀾教授和清華大學閆劍鋒副教授等在超快激光加工光子晶體方面取得研究進展，利用超快激光多光束在晶體材料內部實現了超衍射極限的三維光子晶體結構高精度加工。

相關成果以“Nanoscale Multi Beam Lithography of Photonic Crystals with Ultrafast Laser”發表在Light: Science & Applications，論文作者為李佳群，閆劍鋒，姜瀾等。

▍正文

光子晶體結構具有卓越的控光性能，是光子學與光電子學領域的研究熱點。光子晶體的控光性能與其晶格常數息息相關，通常要求晶格常數與工作波段處于同一數量級。在晶體材料中，光子晶體結構由介電常數不同于晶體本身的單元在空間上周期性排列而成，其晶格常數取決于單元本身尺寸與相鄰單元的間隙。因此，為實現近紅外與可見光波段的光控制，需要將光子晶體單元結構與間隙精確地控制在百納米尺度。

飛秒激光可直接在透明介質材料內部實現三維微納結構的制備，是在晶體材料中構筑光子晶體結構的最佳途徑之一。然而，現有的光子晶體飛秒激光加工技術通常采取單束逐點掃描策略，受到加工軌跡前后重疊與運動控制精度的影響，在納米尺度的單元結構制備上存在限制。微透鏡陣列加工技術與激光干涉加工技術通過并行方式在一定程度上為上述問題提供了解決方案。然而前者的靈活性不足，針對不同的目標結構需要設計并制備不同的微透鏡陣列。后者盡管具備較高的靈活度，但通常只能用來加工平面二維結構，缺乏三維定制能力。因此，面向晶體內部納米尺度三維空間光子晶體結構的制備，新的飛秒激光加工技術亟待發展。

實現納米尺度光子晶體結構的飛秒激光加工的核心問題是如何精確控制相鄰單元結構的間隙，同時避免傳統單束激光由于光斑軌跡重疊所產生的二次加工效應。

本文創新地將三維空間分布可控的多光束光場緊聚焦在晶體內部結合化學刻蝕構筑光子晶體單元，提出了一種基于納米尺度飛秒激光多光束光刻的光子晶體結構加工方法（圖1左）：一方面通過光場相位設計與緊聚焦方法可將加工結構單元尺寸與間隙控制在亞波長量級；一方面借助多光束光場以光控代替電控，可有效規避單束激光加工存在的光斑重疊與光機元件運動精度問題。

圖1. 在晶體內部結合化學刻蝕構筑三維空間分布可控的光子晶體結構。（左）飛秒激光多光束光場整形與緊聚焦；（右）亞波長尺度的光子晶體結構單元加工與光柵器件制備。

空間相位與光場分布的一一對應賦予了該方法可行性。本文中，研究者發現二元相位周期與激光通量共同影響加工結構的尺寸與間隙，并實現了亞波長尺度光子晶體結構單元制備（圖1右）。基于上述規律，調諧二元相位的灰度及最終相位的疊加方式，可定制激光通量分布可控且具有三維空間結構的多光束光場（圖2上），并實現對應的復雜結構光子晶體的加工（圖2中）。拉曼光譜與X射線光電子能譜測試則表明該加工方法得到的結構單元與非重疊狀態下單光束逐點掃描結果相同（圖2下），具有較高的穩定性與可靠性。借助于該方法制備了長周期與亞波長光柵結構，實驗測試結果與理論計算結果一致，進一步驗證該方法加工能力。

圖2.基于納米尺度飛秒激光多光束光刻的光子晶體結構加工。（上）激光通量分布可控的三維空間多光束光場；（中）具有復雜空間結構的光子晶體制備；（下）拉曼光譜與X射線光電子能譜測試。

相比于現有技術，該方法具有如下優勢：

1）操作簡單且成本較低，通過空間相位設計，無需針對不同目標結構設計加工不同光學元器件；

2）精確的結構尺寸與間隙控制，可實現納米尺度的光子晶體單元加工；

3）三維復雜空間結構加工能力，可在晶體內部實現三維光子晶體結構制備。

該工作為晶體材料內部納米尺度光子晶體結構的高精度可控加工提供了一種全新途徑，在光傳輸與控制等領域具有應用前景。

| 論文信息 |

Jiaqun Li, Jianfeng Yan, Lan Jiang, Jiachen Yu, Heng Guo, Liangti Qu. Nanoscale multi-beam lithography of photonic crystals with ultrafast laser. Light Sci Appl 12, 164 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01178-3

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