Light | 高精度三维光子晶体超快激光加工新方法

▍本文由论文作者团队（课题组）投稿

▍导读

近日，北京理工大学姜澜教授和清华大学闫剑锋副教授等在超快激光加工光子晶体方面取得研究进展，利用超快激光多光束在晶体材料内部实现了超衍射极限的三维光子晶体结构高精度加工。

相关成果以“Nanoscale Multi Beam Lithography of Photonic Crystals with Ultrafast Laser”发表在Light: Science & Applications，论文作者为李佳群，闫剑锋，姜澜等。

▍正文

光子晶体结构具有卓越的控光性能，是光子学与光电子学领域的研究热点。光子晶体的控光性能与其晶格常数息息相关，通常要求晶格常数与工作波段处于同一数量级。在晶体材料中，光子晶体结构由介电常数不同于晶体本身的单元在空间上周期性排列而成，其晶格常数取决于单元本身尺寸与相邻单元的间隙。因此，为实现近红外与可见光波段的光控制，需要将光子晶体单元结构与间隙精确地控制在百纳米尺度。

飞秒激光可直接在透明介质材料内部实现三维微纳结构的制备，是在晶体材料中构筑光子晶体结构的最佳途径之一。然而，现有的光子晶体飞秒激光加工技术通常采取单束逐点扫描策略，受到加工轨迹前后重叠与运动控制精度的影响，在纳米尺度的单元结构制备上存在限制。微透镜阵列加工技术与激光干涉加工技术通过并行方式在一定程度上为上述问题提供了解决方案。然而前者的灵活性不足，针对不同的目标结构需要设计并制备不同的微透镜阵列。后者尽管具备较高的灵活度，但通常只能用来加工平面二维结构，缺乏三维定制能力。因此，面向晶体内部纳米尺度三维空间光子晶体结构的制备，新的飞秒激光加工技术亟待发展。

实现纳米尺度光子晶体结构的飞秒激光加工的核心问题是如何精确控制相邻单元结构的间隙，同时避免传统单束激光由于光斑轨迹重叠所产生的二次加工效应。

本文创新地将三维空间分布可控的多光束光场紧聚焦在晶体内部结合化学刻蚀构筑光子晶体单元，提出了一种基于纳米尺度飞秒激光多光束光刻的光子晶体结构加工方法（图1左）：一方面通过光场相位设计与紧聚焦方法可将加工结构单元尺寸与间隙控制在亚波长量级；一方面借助多光束光场以光控代替电控，可有效规避单束激光加工存在的光斑重叠与光机元件运动精度问题。

图1. 在晶体内部结合化学刻蚀构筑三维空间分布可控的光子晶体结构。（左）飞秒激光多光束光场整形与紧聚焦；（右）亚波长尺度的光子晶体结构单元加工与光栅器件制备。

空间相位与光场分布的一一对应赋予了该方法可行性。本文中，研究者发现二元相位周期与激光通量共同影响加工结构的尺寸与间隙，并实现了亚波长尺度光子晶体结构单元制备（图1右）。基于上述规律，调谐二元相位的灰度及最终相位的叠加方式，可定制激光通量分布可控且具有三维空间结构的多光束光场（图2上），并实现对应的复杂结构光子晶体的加工（图2中）。拉曼光谱与X射线光电子能谱测试则表明该加工方法得到的结构单元与非重叠状态下单光束逐点扫描结果相同（图2下），具有较高的稳定性与可靠性。借助于该方法制备了长周期与亚波长光栅结构，实验测试结果与理论计算结果一致，进一步验证该方法加工能力。

图2.基于纳米尺度飞秒激光多光束光刻的光子晶体结构加工。（上）激光通量分布可控的三维空间多光束光场；（中）具有复杂空间结构的光子晶体制备；（下）拉曼光谱与X射线光电子能谱测试。

相比于现有技术，该方法具有如下优势：

1）操作简单且成本较低，通过空间相位设计，无需针对不同目标结构设计加工不同光学元器件；

2）精确的结构尺寸与间隙控制，可实现纳米尺度的光子晶体单元加工；

3）三维复杂空间结构加工能力，可在晶体内部实现三维光子晶体结构制备。

该工作为晶体材料内部纳米尺度光子晶体结构的高精度可控加工提供了一种全新途径，在光传输与控制等领域具有应用前景。

| 论文信息 |

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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