微納 光子器件對(duì)于推動(dòng)光子學(xué)科的變革性發(fā)展具有重大意義。然而，傳統(tǒng)微納光子器件一經(jīng)制造，其結(jié)構(gòu)及特性隨之固定，導(dǎo)致器件功能固定、調(diào)控維度受限。動(dòng)態(tài)可調(diào)微納光子器件已成為光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的最前沿。基于相變材料(PCM)的微納光子器件憑借其獨(dú)特的非易失可逆物相切換特性，為可重構(gòu)與動(dòng)態(tài)光子學(xué)領(lǐng)域提供了全新實(shí)現(xiàn)途徑。然而，微納光子器件的功能實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于其微納結(jié)構(gòu)單元，而微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的可重構(gòu)性難度直接限制了器件的調(diào)控能力。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于相變材料不同物相構(gòu)成的二維體素單元超表面構(gòu)型。直接以不同相變程度的微納物相區(qū)域作為諧振單元，嵌于材料內(nèi)部，形成二維體素單元。可通過(guò)調(diào)控這些微納物相單元的形態(tài)、大小、排列以及相變程度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)諧微納光子器件的一體化加工與動(dòng)態(tài)調(diào)控。相比傳統(tǒng)依賴(lài)復(fù)雜多層異質(zhì)材料的微納光子器件，可大幅簡(jiǎn)化制造工藝，突破了微納結(jié)構(gòu)單元難以重構(gòu)的瓶頸，可實(shí)現(xiàn)超構(gòu)原子級(jí)的調(diào)制，提高了器件的靈活性與可控性，為高性能動(dòng)態(tài)光子器件的開(kāi)發(fā)提供了新的技術(shù)路徑。

相變材料（PCM）微納光子器件的應(yīng)用核心挑戰(zhàn)在于其精密制造與精準(zhǔn)調(diào)控。超快激光作為一種高度可控的能量場(chǎng)(電磁場(chǎng))，其形狀和性質(zhì)精準(zhǔn)協(xié)同可控，甚至能夠作用至材料電子層面，在極短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)力重塑材料的特性、結(jié)構(gòu)和功能。這一能力不僅賦予超快激光成為“無(wú)堅(jiān)不摧”的高質(zhì)量加工“光刀”；同時(shí)，其多維參量可控、無(wú)接觸、精確限域調(diào)制及超快響應(yīng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其在微納光子、光電及光機(jī)械器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)控中，成為“變化自如”的多功能調(diào)控“光鑰”。為相變材料物相單元的一體化精密加工與精準(zhǔn)調(diào)控提供了可能。然而，其核心挑戰(zhàn)在于超快超強(qiáng)光束的精細(xì)化操控，而傳統(tǒng)激光直寫(xiě)技術(shù)受限于位移臺(tái)精度與機(jī)械慣性，難以實(shí)現(xiàn)聚焦光斑的精細(xì)操控。

研究團(tuán)隊(duì)提出了基于相位調(diào)制的高精度飛秒光場(chǎng)三維偏轉(zhuǎn)新方法，在《Advanced Science》期刊上發(fā)表了題為《Three-Dimensional Femtosecond Laser Beam Deflection for High-Precision Fabrication and Modulation of Individual Voxelated PCM Meta-Atoms》的研究文章。通過(guò)動(dòng)態(tài)像素化調(diào)控閃耀光柵與菲涅爾相位，實(shí)現(xiàn)了超快光場(chǎng)在焦平面(x-y)與光軸方向(z)的無(wú)慣性偏轉(zhuǎn)與脈沖多參量協(xié)同控制，光場(chǎng)偏轉(zhuǎn)精度優(yōu)于10nm，實(shí)現(xiàn)了任意圖案化“體素”微納物相單元的一致性加工，特征尺寸精度達(dá)200nm、圖案化結(jié)構(gòu)重疊率(一致性)達(dá)96%；通過(guò)這一技術(shù)，可以對(duì)單個(gè)體素單元進(jìn)行晶化/非晶單元寫(xiě)入與擦除的精準(zhǔn)調(diào)控，突破了微納單元形態(tài)不可重構(gòu)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了“亞超構(gòu)原子級(jí)”調(diào)制精度。

圖片:圖片5454441.png

圖1 基于飛秒激光相位調(diào)控的高精度像素化光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)用于PCM-only超表面的加工與調(diào)制（a）基于飛秒激光相位調(diào)控的高精度像素化光束偏轉(zhuǎn)加工-調(diào)制方法示意圖。（b）PCM-Only Metasurface兩類(lèi)加工方式示意圖。（c）采用圖（b）中兩類(lèi)加工方式加工的GST微納結(jié)構(gòu)光學(xué)顯微圖，左圖對(duì)應(yīng)‘Type Ⅰ’，右圖對(duì)應(yīng)‘Type Ⅱ’。上方插圖左側(cè)為加工圖案的示意圖，右側(cè)為放大的光學(xué)顯微圖。比例尺為5μm。（d）PCM-Only Metasurface 調(diào)制示意圖。（e）PCM-Only Metasurface 調(diào)制的光學(xué)顯微圖。

圖片:圖2155544片2.png

圖2 基于飛秒激光相位調(diào)控的高精度像素化光束偏轉(zhuǎn)示意圖與光學(xué)顯微圖。（a）基于飛秒激光相位調(diào)控的高精度像素化光束偏轉(zhuǎn)加工原理示意圖。（b）多種超表面結(jié)構(gòu)單元加工展示的光學(xué)顯微圖。（c-e）‘Type Ⅰ’方式加工的圖案。c-d為光學(xué)顯微圖，e為拉曼成像圖。（f-h）‘Type Ⅱ’方式加工的圖案。f-g為光學(xué)顯微圖，h為拉曼成像圖。（i）BIT 復(fù)雜圖案化字母共聚焦顯微鏡圖像與重疊對(duì)比圖像。（j）卡通龍形象晶化結(jié)構(gòu)共聚焦圖案。比例尺 5μm。

圖片:圖片32145454.png

圖3 PCM-only 超表面動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。（a）雙天線PCM-only 超表面調(diào)制示意圖。其中結(jié)構(gòu)周期為2μm，GST膜厚50nm，基底為熔融石英。（b-d）雙天線PCM-only 超表面加工與調(diào)制光學(xué)顯微圖。比例尺5μm。

這項(xiàng)工作提出的超表面構(gòu)型與加工調(diào)制技術(shù)不僅提升了超表面制造與動(dòng)態(tài)調(diào)控的精度和靈活性，而且為動(dòng)態(tài)可重構(gòu)光子設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了新的解決方案，具有廣泛的應(yīng)用前景。未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)可以在光學(xué)成像、信息存儲(chǔ)、可調(diào)透鏡、空間光調(diào)制器、動(dòng)態(tài)全息圖以及其他需要光學(xué)調(diào)制的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。該論文的通訊作者為北京理工大學(xué)姜瀾院士，第一作者為北京理工大學(xué)激光微納制造研究所韓偉娜研究員。

文章鏈接： https://doi.org/10.1002/advs.202413316