超快激光赋能透明材料：纳米结构驱动的光束整形元件新突破

作者：欧光科技发表时间：2025-09-19 14:06:15

在光学技术向小型化、集成化发展的当下，传统基于光学相位差的光学元件逐渐暴露出体积大、调控灵活性不足、集成难度高等局限。而几何相位（GP）平面光学器件的出现，为这一困境提供了全新解法——它通过精准控制透明材料表面或内部纳米结构的慢轴方位角A(x,y)，即可实现任意相位变化，尤其在圆偏振光入射且延迟为半波时，相对相位φ(x,y)能稳定保持±2A(x,y)的关系。在此背景下，超快激光（尤其是飞秒激光）凭借其独特的能量沉积特性，成为在透明材料中制备高性能纳米结构、构建光束整形元件的核心技术，推动光学调控进入“纳米级精准时代”.

一、非晶硅薄膜：纳米波纹搭建的初步调控平台

非晶硅（a-Si）薄膜因制备成本低、薄膜厚度可控，成为早期验证超快激光纳米结构光学性能的理想载体。研究团队通过飞秒激光直接写入技术，在a-Si薄膜表面构建出周期性纳米波纹，并以此为基础设计了周期为30μm的几何相位衍射光栅。

在532nm波长的测试中，该光栅展现出典型的几何相位元件特性：相位延迟约为0.4π，部分透射光以非衍射形式聚焦于0阶方向，且衍射后的圆偏振光束手性发生明显翻转——这一特性是后续偏振态调控应用的关键前提。不过，受限于薄膜材料的二维结构，初期器件的衍射效率较低。为突破这一瓶颈，团队通过两种方案优化：一是增加a-Si薄膜厚度以引入半波延迟，二是采用偏振滤波技术消除0阶光束干扰，最终将器件效率提升了约36%，为薄膜基光学元件的性能优化提供了可行路径。

二、石英玻璃（一）：体积纳米光栅实现高效衍射

与薄膜材料的二维局限不同，石英玻璃具备优异的光学稳定性和体积加工潜力——其内部的纳米光栅可通过“多层书写”技术延长纵向长度，使可见光波段的相位延迟能精准调控至π甚至2π，完全满足几何相位元件与偏振转换器对延迟的严苛要求。

基于这一优势，研究人员在石英玻璃中压印了慢轴方位角沿x方向变化的偏振光栅（PG），该光栅以光滑纳米光栅为基底，周期设计为60μm，在532nm波长下的平均相位延迟约为π，且整体透射率高达90%。更关键的是，其衍射性能表现突出：根据入射圆偏振光的手性差异，90%的透射光会被精准导向±1阶衍射方向，仅有10%的能量分布于0阶及更高阶次——这一高效的能量集中特性，远超传统光学光栅，为高功率光束的精准整形奠定了基础。

三、石英玻璃（二）：纳米孔结构解锁宽波段与多功能调控

除了纳米光栅，研究团队还通过超快激光诱导石英玻璃改性，开发出一种新型纳米结构——随机分布的纳米孔。这些纳米孔沿垂直于入射光偏振的方向拉长，形成了具有可控双折射特性的光学介质，且在宽波段范围内展现出优异的透光性能：可见光与近红外波段透射率高达99%，即便在波长低至330nm的紫外区域，透射率仍能保持在90%以上，解决了传统光学元件“窄波段适用”的痛点。

在457nm波长测试中，基于该纳米孔结构的GP偏振光栅表现亮眼：平均相位延迟接近π，衍射效率突破99%，且通过简单切换入射圆偏振光的左/右旋手性，即可灵活调控衍射方向，实现“光控光”的动态调控。更具创新性的是，团队基于此技术制备了抛物面形状的GP透镜：通过改变入射圆偏振光的手性，该透镜可在“聚焦”与“散焦”模式间无缝切换，实测聚焦光束尺寸为112μm，与114μm的理论计算值高度吻合。尤为重要的是，这种高透明性的GP透镜可作为“一体式凹凸透镜”，同时实现近视与远视的矫正，为集成光学器件的“多功能化”提供了全新思路。

四、技术核心优势与未来展望

飞秒激光之所以能成为透明材料纳米结构制备的“核心工具”，关键在于其极短的脉冲宽度（飞秒量级）：能量能在周围晶格发生热扰动前，快速、精准地沉积于材料内部，从而构建出高度局部化的纳米结构，且几乎无附带损伤——这一特性完美解决了传统激光加工中材料损伤、结构精度不足的问题。

目前，通过飞秒激光书写技术，偏振可控的纳米光栅已能在非晶硅薄膜、石英玻璃等多种透明材料中稳定制备，其中石英玻璃基纳米结构因“可控光学各向异性+高耐久性+宽波段兼容”的三重优势，已在光束整形、偏振调控、光学成像等领域展现出广泛应用潜力。未来，随着超快激光加工精度的进一步提升（如纳米级慢轴方位角控制），以及新型透明材料（如钙钛矿、玻璃陶瓷）的探索，这类基于纳米结构的平面光学器件有望彻底革新传统光学系统，推动光通信、生物医疗（如高精度成像）、AR/VR（如轻薄光学模组）等领域向“更小体积、更高效率、更强集成度”的方向迈进。