《Light》：全无机晶体内非晶光子结构单脉冲光刻新进展

近日，由浙江大学、皇家墨尔本理工大学、西安交通大学等机构组成的国际团队，在国际顶尖光学期刊Light: Science & Applications发表了题为“Single-pulse lithography of amorphous photonic architectures inside all-inorganic dielectric crystals”研究论文。该研究提出单脉冲各向异性非晶化光刻（SAAL）技术，利用单个超快激光脉冲，即可在铌酸锂、石英等多种全无机透明晶体内部直接写入规则、高纯度的非晶单元，显著提升三维非线性光调控器件的构筑效率，并在二次谐波、三次谐波和涡旋光束整形中展现出优异性能。

论文链接：

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

研究背景

非晶相与晶相在折射率、吸收和非线性系数等方面通常存在明显差异，因此，在透明介质晶体内部按需引入非晶相，被认为是实现芯片内光调控的重要途径。问题在于，传统非晶化方法往往依赖快速淬火、气相沉积或高能粒子辐照，空间选择性不足，难以满足高分辨、三维集成和复杂结构设计的要求。

超快激光具备高峰值功率和非线性吸收优势，是实现透明材料内部微纳加工的重要工具。但多脉冲加工过程容易引发自组织、能量重分布和相变杂质等问题，导致结构不均匀、纯度不足，进而限制器件性能。围绕这一瓶颈，团队提出了以单脉冲为核心的SAAL方案。

SAAL技术的核心创新

Ø单脉冲相变写入：突破传统多脉冲累积加工路径，单个超快激光脉冲即可在晶体内部诱导高纯度非晶相变，大幅提升加工效率并降低热损伤风险。

Ø自由电子-热效应协同驱动：研究揭示，高密度自由电子与热效应协同，可显著增强局域各向异性热沉积，从而触发高质量、定向可控的非晶化过程。

Ø高长径比、可编程结构单元：所得非晶单元呈规则薄片状，长径比最高达到190:1，并可通过光场塑形灵活调控取向、长度和空间排布。

Ø跨材料普适：该方法已在铌酸锂、石英、钒酸钇（YVO4）、钽酸锂等多种透明晶体中得到验证，显示出良好的材料适用性。

总结与展望

本研究提出了一种基于高密度自由电子调控的单脉冲各向异性非晶化光刻机制，实现了透明介质晶体内部高纯度、规则可控的三维相变构筑。该方法兼具高精度、高效率和材料普适性，在非线性频率转换、涡旋光束产生以及三维集成光子系统等方面展现出广阔应用前景。未来，该技术有望与先进光场调控、拓扑光子学及超材料设计相结合，构建新一代全无机三维集成光子平台。

文章图文

图1 SAAL技术概念

图2 SAAL技术机理

图3 SAAL的结构特性、调控和跨材料普适性

图4 LN晶体中的SAAL非线性光调制

图5基于SAAL的石英晶体多功能非线性光调制

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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