亮点丨飞秒贝塞尔光束直写助力光子晶体快速制备

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研究背景

光子晶体是一种在光学尺度上具有周期性介电结构的材料，可以产生被称为光子带隙的“禁止”频率。通过对材料内部结构进行设计和制备，可以实现不同的禁止频率，使人们操纵和控制光子成为可能。基于这种特性，光子晶体被广泛应用于新型光电器件集成、光通信及传感检测等领域。

铌酸锂（LiNbO₃）晶体由于其优异的非线性光电特性，成为制备高性能光子晶体器件的主流材料。通过对该材料进行周期性微孔结构的制备，可实现其对光波的选择性调控。然而，铌酸锂晶体硬度高、化学性质不活泼，传统的机械或化学方法很难实现该材料所需微孔结构的制备。主流聚焦离子束（FIB）刻蚀技术虽然可以制备微孔结构，但在制孔过程中，被去除的样品易发生再沉积，导致微孔制备深度有限，限制了光波与光子晶体结构之间的耦合，最终影响器件性能。

飞秒激光由于超短的脉冲宽度和超高的峰值功率，理论上可以对任意材料进行加工，精度高、热影响小，使其成为一种极具潜力的微结构制备手段。目前，已有许多研究团队成功利用飞秒激光在铌酸锂晶体的表面及内部进行沟槽、波导等微结构的制备，但是受限于传统飞秒高斯光束极短的瑞利长度，以飞秒激光直写获得铌酸锂晶体高深径比微孔结构仍是一个挑战。

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创新研究

基于对超快激光高精制造领域多年的探索和积累，北京工业大学材料与制造学部季凌飞研究员团队利用轴棱镜将传统飞秒高斯光束整形为初始的飞秒贝塞尔光束，基于角谱衍射理论对整形所需光场分布进行模拟分析，确定无衍射传播距离超过200 mm的初始飞秒贝塞尔光束的光学传输条件，依据菲涅尔衍射定律，通过4f系统进一步压缩光束尺寸，最终获得焦深约600 µm，焦点尺寸不到2 µm的紧聚焦微型贝塞尔光束，保障了高深径比加工的分辨率。借助整形后贝塞尔光束均匀狭长的光场分布，匹配光束-样品相对位置的精准调控，以激光单脉冲能量成功实现了铌酸锂亚波长孔径、高深径比（约为700:1）的微孔结构单脉冲直写。通过控制激光脉冲频率与高精平台移动速度，最终在无间歇的动态扫描过程中一步完成大面积微孔结构光子晶体的快速制备。

图1 飞秒贝塞尔光束整形加工装置及产生的贝塞尔光束形貌和能量分布特征

实验所用飞秒光束波长为1035 nm，虽然光子能量（约为1.2 eV）远小于铌酸锂禁带宽度（约为3.8 eV），但由于飞秒光束具有极高的峰值功率，铌酸锂晶体依然可以通过非线性吸收机制获得能量沉积。微孔的特征尺寸主要由激光单脉冲能量以及光束-样品相对位置的调控决定。激光单脉冲能量的增大会同时增加微孔孔径和微孔深度，而微孔深径比则随着能量增大逐渐减小。光束-样品的相对位置则主要影响材料内部相互作用区的范围，并不改变微孔孔径特征。

实验所用铌酸锂晶体厚度约500 µm，略小于整形后的贝塞尔飞秒光束焦深。因此将贝塞尔焦点区域放置在材料正中间，通过合理优化脉冲能量，获得了孔径为715 nm的完全贯通微孔（深径比约为700:1），如图2（a）和图2（b）所示。贯通微孔形成的空气柱与未去除的铌酸锂晶体形成周期性介电结构，通过对微孔特征尺寸和分布进行设计，制备出具有明显光子带隙的光子晶体器件，其透射光谱如图2（c）所示。

图2 飞秒贝塞尔光束在500 µm厚的铌酸锂晶体内部直写微通孔结构光子晶体器件

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总结

利用飞秒激光贝塞尔光束进行整形，实现了深径比约为700:1的大面积铌酸锂微孔阵列的一步制备，微孔成形均匀、阵列可控性高。这种高效可靠的高深径比微孔结构加工方式为铌酸锂光子晶体器件的制备提供了一条值得探索的新途径。

课题组介绍

季凌飞研究员带领的超快激光与高精制造研究所依托光学工程国家重点学科，长期从事激光先进制造科学与技术研究、在激光与材料相互作用机制、超快激光高精制造、医工结合激光智慧医疗及相关系统装备研发等方面握有国际前沿技术。团队始终坚持前沿性基础研究成果与国民经济发展和国家重大需求紧密结合，目前已承担并完成国家863计划、国家973计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等国家和省部级科研项目100余项。培养博硕士研究生110余名，获得测绘科技进步特等奖等学术科研及人才培养奖项。获得80余项含国际发明专利在内的专利授权，应用转化多项，在包括Advanced Functional Materials、Nano Letters、Photonics Research等期刊发表论文百余篇。

编辑 | 沈雅捷

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