Фемтосекундный лазер: «гравер» для создания трёхмерных периодических фотонных структур в прозрачных материалах 

Фемтосекундный лазер: «гравер» для создания трёхмерных периодических фотонных структур в прозрачных материалах

Что такое фемтосекунда (10⁻¹⁵ с)? За одну секунду фемтосекундный лазер может генерировать около 100 триллионов импульсов, а его кратковременная пиковая мощность может достигать триллиона ватт, что превышает общую мощность, генерируемую в мире. На рисунке 1 показан типичный фемтосекундный лазер. За короткую фемтосекунду фотон может пройти всего 0,3 мкм — примерно одну десятую размера бактерии. Однако именно этот сверхкороткий импульс, характерный для лазеров, стал «гравером» в руках учёных, стимулируя непрерывную разработку новых материалов и устройств. Технология прямой записи с помощью фемтосекундного лазера может похвастаться «квантовой точностью». «Точность» позволяет даже достигать атомного масштаба «гравировки» внутри прозрачных материалов, изменяя тем самым их свойства.

Несмотря на преимущества высокой точности и высокой переходной мощности, технология прямой записи с помощью фемтосекундного лазера по-прежнему сталкивается со многими проблемами в практическом применении. Например, при крупномасштабной обработке эта технология сталкивается с проблемами эффективности и однородности при обработке в масштабах от нанометров до миллиметров. Что касается механизмов потерь, такие проблемы, как рассеяние и поглощение света, влияют на ее производительность. Например, в кристаллах кварца глубокого ультрафиолета существуют такие трудности, как высокие потери передачи волновода и низкая эффективность нелинейного преобразования. При гетерогенной интеграции существуют такие проблемы, как плохая совместимость между различными материалами и низкая эффективность сопряжения света с интерфейсом. С точки зрения индустриализации технология прямой записи с помощью фемтосекундного лазера получила широкое распространение. Оборудование для прямой оптической записи громоздкое, дорогое, сложное в эксплуатации и имеет низкую производительность…

Для решения этих проблем ученые активно изучают прорывы: использование технологии бесселева пучка для оптимизации крупномасштабной обработки, значительно уменьшая разницу в эффективности между краем и центром при однородной инверсии доменов в кристаллах LiNbO₃; снижение потерь с помощью методов постобработки, таких как влажное травление плавиковой кислотой; Использование искусственного интеллекта для построения мультифизических моделей для прогнозирования и оптимизации процессов; применение методов переноса и связывания слоев для повышения эффективности оптической связи при гетерогенной интеграции; а также разработка компактных систем и автоматизированных платформ для миниатюризации оборудования и промышленного применения, что значительно повышает эффективность обработки. Благодаря постоянному развитию новых технологий, с развитием технологии прямой записи с помощью фемтосекундного лазера, точность и надежность этой технологии продолжают повышаться, а перспективы ее применения в передовых областях становятся все более захватывающими.

Недавно группа профессора Чэнь Фэна из Шаньдунского университета провела обзор исследований в области технологии прямой записи с помощью фемтосекундного лазера для периодической модуляции трехмерных нелинейных фотонных кристаллов и волноводных решеток. Они представили ключевые прорывы в создании трехмерных нелинейных фотонных кристаллов (НФК) с нанометровым разрешением и дали прогноз будущих разработок в области механизма формирования доменных стенок и инверсии доменов миллиметрового масштаба, индуцированной фемтосекундным пучком Бесселя. Их открытия закладывают основу для применения технологии прямой записи с помощью фемтосекундного лазера в интегральной фотонике, нелинейной оптике, квантовой оптике и топологической фотонике. Статья под названием «Последние достижения в области прямой записи с помощью фемтосекундного лазера трёхмерных периодических фотонных структур в прозрачных материалах» была опубликована в журнале Advanced Photonics, выпуск 3, 2025 г.

Фемтосекундный лазер для создания трёхмерных периодических фотонных структур в прозрачных материалах

Технология прямой записи с помощью фемтосекундного лазера позволяет точно характеризовать оптические свойства прозрачных материалов, в первую очередь, посредством оптической нелинейной модуляции и управления показателем преломления.

С точки зрения оптической нелинейной модуляции, фемтосекундные лазеры могут изменять нелинейные оптические коэффициенты в сегнетоэлектрических кристаллах (таких как ниобат лития) посредством модификации доменов (0 < v < 1, что приводит к частичной аморфизации кристалла), стирания доменов (v = 0, что приводит к полной аморфизации кристалла) и инверсии доменов (v = -1, что приводит к изменению знака коэффициента и повышению эффективности фазового согласования). В частности, при фокусировке фемтосекундного лазера на ниобат лития он может инвертировать сегнетоэлектрические домены посредством термоэлектрических полей, изменяя направление поляризации, тем самым максимизируя эффективное значение нелинейного коэффициента и повышая эффективность высокочастотного преобразования. На рисунке 2 ниже показаны процесс и результаты использования фемтосекундных лазеров для обработки кристаллов ниобата лития и создания нанофотонных структур.

В кварцевых кристаллах без сегнетоэлектрических доменов лазер уменьшает или устраняет нелинейный коэффициент, разрушая решетку. Что касается управления показателем преломления, фемтосекундные лазеры могут создавать трёхмерные распределения показателя преломления: низкоэнергетические импульсы (тип I) формируют «пики показателя преломления», которые непосредственно формируют волноводы; высокоэнергетические импульсы (тип II) создают «впадины показателя преломления», требуя ограничения пучка путем окружения «пиков». Например, на ниобате лития низкоэнергетические импульсы типа I увеличивают показатель преломления, вызывая искажение кристаллической решетки, в то время как высокоэнергетические импульсы типа II уменьшают показатель преломления из-за расширения кристаллической решетки.

Области применения: от нелинейной оптики до квантового мира

Трёхмерные периодические фотонные структуры, создаваемые фемтосекундными лазерами, являются движущей силой технологических инноваций во многих передовых областях. В нелинейной оптике трёхмерные нелинейные фотонные кристаллы (3D NPC) считаются «частотным кубом света». Используя методы инверсии доменов и нелинейного стирания, учёные не только добились расширения диапазона длин волн лазерного излучения (например, удвоения частоты света с длиной волны 1340 нм в кристаллах BCT в 2018 году и успешной генерации 2–5-й гармоник света с длиной волны 1030 нм в кристаллах кварца в 2024 году), но и добились точного манипулирования оптическими волнами (например, генерации уникальных «оптических бутылочных пучков» в кристаллах SBN в 2023 году и гибкого преобразования формы пучка в кристаллах ниобата лития в 2024 году). В топологической фотонике трёхмерные массивы волноводов служат «квантовыми магистралями» для света, простирающимися от двумерного до пятимерного пространства. От реализации топологически защищенной передачи хирального краевого состояния в 2013 году до прорывов в исследованиях фрактальных топологических изоляторов в 2022 году и, наконец, открытия топологических изоляторов высшего порядка (HOTI), эти достижения открыли новые возможности для разработки помехоустойчивых оптических устройств. В квантовой фотонике структуры прямой записи с использованием фемтосекундного лазера заложили важную основу для однофотонной манипуляции. Например, в 2019 году была обнаружена двухфотонная квантовая интерференция, в 2021 году были открыты новые законы квантового транспорта во фрактальных фотонных решетках, а в 2023 году была успешно получена запутанная фотонная пара посредством спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты. Эти достижения открыли новые возможности для квантовой коммуникации и вычислений. На рисунке 3 показан сценарий применения технологии прямой записи с использованием фемтосекундного лазера в квантовой фотонике. С помощью моделей визуализации, соответствующих различным областям исследований в квантовой оптике, визуализируются сложные квантовые явления.

От создания наноструктур в стекле до управления квантовой траекторией одиночных фотонов – технология прямой записи с помощью фемтосекундного лазера открывает нам новую эру фотонного производства. Сегодня эта технология позволяет достигать инверсии доменов с разрешением 30 нм в ниобате лития и создавать источники глубокого ультрафиолетового света миллиметрового масштаба в кварце. Однако развитие технологии прямой записи с помощью фемтосекундного лазера ещё далеко. Например, как использовать фемтосекундные пучки Бесселя для достижения инверсии доменов миллиметрового масштаба? Как интегрировать больше функций в плёнки ниобата лития на изоляторах? … В будущем этот «лазерный нож» может достичь прорывов в четырёх направлениях: (1) Сочетание формирования пучка с прямой записью, используя пучки Бесселя вместо традиционных гауссовых пучков, что, как ожидается, позволит достичь инверсии доменов миллиметрового масштаба и заложить основу для создания крупномасштабных устройств; (2) Исследование физических механизмов: выявление механизма образования доменных стенок, что, как ожидается, уменьшит потери нелинейных процессов; (3) Исследование гетерогенной интеграции: прямая запись на тонких плёнках, таких как ниобат лития на изоляторе (LNOI), для улучшения интеграции устройств; (4) Исследование гибридной модификации: сочетание модификаций типа I и II, создание дефектов в трёхмерных массивах волноводов и исследование проблем симметрии в топологической фотонике. Когда фемтосекундные лазеры смогут создавать произвольные трёхмерные периодические фотонные структуры в прозрачных материалах, мы станем свидетелями не только технологического прорыва, но и новых возможностей для человечества управлять фундаментальными силами природы. Возможно, вскоре смартфоны, медицинское диагностическое оборудование и даже основные компоненты квантовых компьютеров засияют в свете технологии прямой записи с помощью фемтосекундных лазеров.