▍本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

▍導(dǎo)讀

近日，北京理工大學(xué)姜瀾教授和清華大學(xué)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(jìn)展，利用超快激光多光束在晶體材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了超衍射極限的三維光子晶體結(jié)構(gòu)高精度加工。

相關(guān)成果以“Nanoscale Multi Beam Lithography of Photonic Crystals with Ultrafast Laser”發(fā)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(jié)構(gòu)具有卓越的控光性能，是光子學(xué)與光電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。光子晶體的控光性能與其晶格常數(shù)息息相關(guān)，通常要求晶格常數(shù)與工作波段處于同一數(shù)量級(jí)。在晶體材料中，光子晶體結(jié)構(gòu)由介電常數(shù)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(shù)取決于單元本身尺寸與相鄰單元的間隙。因此，為實(shí)現(xiàn)近紅外與可見光波段的光控制，需要將光子晶體單元結(jié)構(gòu)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(zhì)材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三維微納結(jié)構(gòu)的制備，是在晶體材料中構(gòu)筑光子晶體結(jié)構(gòu)的最佳途徑之一。然而，現(xiàn)有的光子晶體飛秒激光加工技術(shù)通常采取單束逐點(diǎn)掃描策略，受到加工軌跡前后重疊與運(yùn)動(dòng)控制精度的影響，在納米尺度的單元結(jié)構(gòu)制備上存在限制。微透鏡陣列加工技術(shù)與激光干涉加工技術(shù)通過(guò)并行方式在一定程度上為上述問(wèn)題提供了解決方案。然而前者的靈活性不足，針對(duì)不同的目標(biāo)結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)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(lái)加工平面二維結(jié)構(gòu)，缺乏三維定制能力。因此，面向晶體內(nèi)部納米尺度三維空間光子晶體結(jié)構(gòu)的制備，新的飛秒激光加工技術(shù)亟待發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)納米尺度光子晶體結(jié)構(gòu)的飛秒激光加工的核心問(wèn)題是如何精確控制相鄰單元結(jié)構(gòu)的間隙，同時(shí)避免傳統(tǒng)單束激光由于光斑軌跡重疊所產(chǎn)生的二次加工效應(yīng)。

本文創(chuàng)新地將三維空間分布可控的多光束光場(chǎng)緊聚焦在晶體內(nèi)部結(jié)合化學(xué)刻蝕構(gòu)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(jié)構(gòu)加工方法（圖1左）：一方面通過(guò)光場(chǎng)相位設(shè)計(jì)與緊聚焦方法可將加工結(jié)構(gòu)單元尺寸與間隙控制在亞波長(zhǎng)量級(jí)；一方面借助多光束光場(chǎng)以光控代替電控，可有效規(guī)避單束激光加工存在的光斑重疊與光機(jī)元件運(yùn)動(dòng)精度問(wèn)題。

圖1. 在晶體內(nèi)部結(jié)合化學(xué)刻蝕構(gòu)筑三維空間分布可控的光子晶體結(jié)構(gòu)。（左）飛秒激光多光束光場(chǎng)整形與緊聚焦；（右）亞波長(zhǎng)尺度的光子晶體結(jié)構(gòu)單元加工與光柵器件制備。

空間相位與光場(chǎng)分布的一一對(duì)應(yīng)賦予了該方法可行性。本文中，研究者發(fā)現(xiàn)二元相位周期與激光通量共同影響加工結(jié)構(gòu)的尺寸與間隙，并實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)尺度光子晶體結(jié)構(gòu)單元制備（圖1右）。基于上述規(guī)律，調(diào)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(jié)構(gòu)的多光束光場(chǎng)（圖2上），并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)光子晶體的加工（圖2中）。拉曼光譜與X射線光電子能譜測(cè)試則表明該加工方法得到的結(jié)構(gòu)單元與非重疊狀態(tài)下單光束逐點(diǎn)掃描結(jié)果相同（圖2下），具有較高的穩(wěn)定性與可靠性。借助于該方法制備了長(zhǎng)周期與亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)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(jié)構(gòu)加工。（上）激光通量分布可控的三維空間多光束光場(chǎng)；（中）具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的光子晶體制備；（下）拉曼光譜與X射線光電子能譜測(cè)試。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，該方法具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）操作簡(jiǎn)單且成本較低，通過(guò)空間相位設(shè)計(jì)，無(wú)需針對(duì)不同目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工不同光學(xué)元器件；

2）精確的結(jié)構(gòu)尺寸與間隙控制，可實(shí)現(xiàn)納米尺度的光子晶體單元加工；

3）三維復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)加工能力，可在晶體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三維光子晶體結(jié)構(gòu)制備。

該工作為晶體材料內(nèi)部納米尺度光子晶體結(jié)構(gòu)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(lǐng)域具有應(yīng)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

閱讀原文