《Light》：全無機晶體內非晶光子結構單脈沖光刻新進展

近日，由浙江大學、皇家墨爾本理工大學、西安交通大學等機構組成的國際團隊，在國際頂尖光學期刊Light: Science & Applications發表了題為“Single-pulse lithography of amorphous photonic architectures inside all-inorganic dielectric crystals”研究論文。該研究提出單脈沖各向異性非晶化光刻（SAAL）技術，利用單個超快激光脈沖，即可在鈮酸鋰、石英等多種全無機透明晶體內部直接寫入規則、高純度的非晶單元，顯著提升三維非線性光調控器件的構筑效率，并在二次諧波、三次諧波和渦旋光束整形中展現出優異性能。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41377-026-02253-1

研究背景

非晶相與晶相在折射率、吸收和非線性系數等方面通常存在明顯差異，因此，在透明介質晶體內部按需引入非晶相，被認為是實現芯片內光調控的重要途徑。問題在于，傳統非晶化方法往往依賴快速淬火、氣相沉積或高能粒子輻照，空間選擇性不足，難以滿足高分辨、三維集成和復雜結構設計的要求。

超快激光具備高峰值功率和非線性吸收優勢，是實現透明材料內部微納加工的重要工具。但多脈沖加工過程容易引發自組織、能量重分布和相變雜質等問題，導致結構不均勻、純度不足，進而限制器件性能。圍繞這一瓶頸，團隊提出了以單脈沖為核心的SAAL方案。

SAAL技術的核心創新

?單脈沖相變寫入：突破傳統多脈沖累積加工路徑，單個超快激光脈沖即可在晶體內部誘導高純度非晶相變，大幅提升加工效率并降低熱損傷風險。

?自由電子-熱效應協同驅動：研究揭示，高密度自由電子與熱效應協同，可顯著增強局域各向異性熱沉積，從而觸發高質量、定向可控的非晶化過程。

?高長徑比、可編程結構單元：所得非晶單元呈規則薄片狀，長徑比最高達到190:1，并可通過光場塑形靈活調控取向、長度和空間排布。

?跨材料普適：該方法已在鈮酸鋰、石英、釩酸釔（YVO4）、鉭酸鋰等多種透明晶體中得到驗證，顯示出良好的材料適用性。

總結與展望

本研究提出了一種基于高密度自由電子調控的單脈沖各向異性非晶化光刻機制，實現了透明介質晶體內部高純度、規則可控的三維相變構筑。該方法兼具高精度、高效率和材料普適性，在非線性頻率轉換、渦旋光束產生以及三維集成光子系統等方面展現出廣闊應用前景。未來，該技術有望與先進光場調控、拓撲光子學及超材料設計相結合，構建新一代全無機三維集成光子平臺。

文章圖文

圖1 SAAL技術概念

圖2 SAAL技術機理

圖3 SAAL的結構特性、調控和跨材料普適性

圖4 LN晶體中的SAAL非線性光調制

圖5基于SAAL的石英晶體多功能非線性光調制

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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