用超快激光制造纳米级光子晶体

光子晶体的光控性能与其晶格常数密切相关，通常要求晶格常数与工作波长处于同一数量级。在晶体材料中，光子晶体结构是由介电常数与晶体本身不同的单元在空间中周期性排列而成，其晶格常数取决于单元的尺寸和相邻单元之间的间隙。

因此，要实现近红外和可见光范围内的光控制，需要在纳米尺度上精确控制光子晶体单元结构和间隙。

飞秒激光可以直接在透明材料内部制造三维微纳结构，是在晶体材料中构建光子晶体结构的最佳方法之一。然而，现有的光子晶体飞秒激光加工技术通常采用单光束逐点扫描策略，由于加工轨迹和运动控制精度的重叠，在制备纳米级单元结构方面受到限制。

微透镜阵列加工技术和激光干涉加工技术在一定程度上为上述问题提供了解决方案。但前者不够灵活，需要针对不同的目标结构设计和制作不同的微透镜阵列。后者虽然具有较高的灵活性，但通常只能用于加工平面二维结构，缺乏三维定制能力。

因此，迫切需要新型飞秒激光加工技术来制备晶体内部纳米级三维空间光子晶体结构。

在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，北京理工大学机械工程学院江兰教授领导的科学家团队开发了一种基于纳米级飞秒激光多束光刻的光子晶体结构制造方法，通过将具有可控三维空间分布的多束光场紧密聚焦在晶体内部并与化学刻蚀相结合。

一方面，通过设计光学相位和紧聚焦方法，可以在亚波长水平上控制所制造的结构单元的尺寸和间隙。另一方面，采用多光束光场，可以用光学控制代替电气控制，有效避免单光束激光加工中存在的激光光斑重叠、元件运动精度等问题。

a、激光通量分布可控的多光束光场。b，具有复杂空间结构的光子晶体的制造。C。拉曼光谱测量和X射线光电子能谱。图片来源：李家群、严剑峰、蒋兰、于嘉辰、郭恒、屈良体

空间相位与光场分布的一一对应关系为该方法提供了可行性。在这篇文章中，研究人员发现二元相位周期和激光通量共同影响加工结构的尺寸和间隙，并实现了亚波长尺度光子晶体结构单元的制备。

基于上述结果，通过调整二元相位的灰度和最终相位的叠加方法，可以定制具有可控激光通量分布和三维空间结构的多光束光场，并可以加工出相应的复杂结构光子晶体。

拉曼光谱和X射线光电子能谱测试表明，该处理方法得到的结构单元与非重叠状态下单束逐点扫描的结果相同，具有较高的稳定性和可靠性。

利用该方法制备了长周期、亚波长光栅结构，实验测试结果与理论计算一致，进一步验证了该方法的加工能力。

这些科学家总结了他们的技术的优点和前景：

“(1)操作简单，成本低廉，无需设计不同的光学元件来加工不同的目标结构;(2)结构尺寸和间隙的精确控制，可以实现纳米级光子晶体晶胞的制造;(3)三维复杂空间结构处理能力，可以在晶体内部制备三维光子晶体结构。”

“对纳米结构的灵活控制使得所报道的方法成为编织具有亚波长结构的复杂光子晶体的替代方法。多光束处理方法的潜力可能为制造用于光通信和光操控应用的纳米结构开辟可能的方法。”