飛秒激光加工如今已經(jīng)發(fā)展成為一種極具吸引力的技術(shù)，從眼部的手術(shù)到大量透明材料的直寫，各種應(yīng)用中都有它的重要參與。現(xiàn)在，英國(guó)南安普敦大學(xué)的科學(xué)家展示了一種在石英玻璃中進(jìn)行超快激光寫入的新方法，該方法可生成各向異性的納米結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的雙折射效應(yīng)，且傳輸損耗可忽略不計(jì)。這項(xiàng)技術(shù)可通過平面光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)實(shí)用的波前整形，并能對(duì)從紫外線到紅外的高功率激光進(jìn)行偏振光束整形，以及進(jìn)行大容量光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。他們的研究成果最近發(fā)表在國(guó)際頂尖光學(xué)期刊《Light: Science and Applications》雜志上。

一般情況下，常規(guī)的光學(xué)器件（如透鏡或反射鏡）通常通過控制材料的厚度或者折射率來改變光程差，從而達(dá)到控制相位的目的。近期有研究指出，通過構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)或者Pancharatnam-Berry相位的手段在空間上改變各向異性，就可以使用平面光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)具有任意波陣面的光束。然而，不論是哪種控制各向異性模式的方法，都仍然面臨著難以產(chǎn)生低損耗、高損傷閾值和高耐久性的隨空間變化的雙折射效應(yīng)的困難。

針對(duì)控制雙折射的各向異性所面臨的這些困難，來自英國(guó)南安普敦大學(xué)光電研究中心的科學(xué)家們提出了一種新的雙折射修飾方法，該方法利用超快激光在石英玻璃中進(jìn)行直接寫入從而實(shí)現(xiàn)了超低損耗。這種雙折射修飾方法與源于納米光柵或者納米片的常規(guī)雙折射修飾方法完全不同，它包含了具有伸展型各向異性形狀的隨機(jī)分布的納米孔，這些納米孔的排列方向與激光直寫時(shí)的偏振方向相垂直，這個(gè)特點(diǎn)正是這種方法具有高透射率以及可控雙折射效應(yīng)的原因。

這種雙折射修飾方法可以用于制造可應(yīng)用在大功率激光器中的超低損耗且空間移變的雙折射光學(xué)元件，包括幾何相位平面棱鏡和透鏡，矢量光束轉(zhuǎn)換器和零階延遲器等。科學(xué)家們用這種方法在石英玻璃中制造的雙折射光學(xué)元件具有從紫外到近紅外波段的高透射率及高耐久性，成功突破了使用常規(guī)材料和基于諸如光取向液晶和超表面的制造方法在幾何相位和偏振整形上遇到的局限性。同時(shí)，這種具有高透射率的空間選擇性雙折射修飾方法還可以在石英玻璃中實(shí)現(xiàn)高容量的多路復(fù)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

他們的研究成果最近發(fā)表在Light: Science and Applications雜志上。

圖1 圖片展示了在石英玻璃中經(jīng)過納米孔修飾的幾乎無(wú)損的幾何相位平面透鏡。

（圖左）平面透鏡的雙折射圖像以及具有不同手性圓偏振性質(zhì)的488nm波段激光的光強(qiáng)分布模式。焦距為±208nm；

（圖右）同一個(gè)透鏡可以矯正-5D的近視和+5D的遠(yuǎn)視。

圖2幾何相位光學(xué)元件及矢量光束轉(zhuǎn)換器

圖片展示了用低損耗雙折射修飾方法制作的幾何相位光學(xué)元件及矢量光束轉(zhuǎn)換器。a）慢軸梯度為0.01π?rad?μm^(-1)的幾何相位棱鏡的雙折射圖像（上）以及具有不同圓偏振的工作波長(zhǎng)為457nm的CW激光束經(jīng)過幾何相位棱鏡衍射之后形成的光強(qiáng)分布模式（下）。b）幾何相位透鏡的雙折射圖像，以及具體不同圓偏振的工作波長(zhǎng)為488nm的CW激光束經(jīng)過幾何相位透鏡聚焦和散焦之后的光強(qiáng)分布模式。對(duì)于488nm的波長(zhǎng)的光，透鏡的焦距為±208mm。c）在線偏振白光照射下的不帶偏振器（左）和帶有偏振器（中）的10毫米矢量光束轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器中心部分的慢軸分布如最右圖所示。d）經(jīng)過不帶偏振器的轉(zhuǎn)換器之后的343nm波長(zhǎng)的激光束的光強(qiáng)分布模式（左）。由帶有偏振器的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的徑向矢量光束（中）與方位矢量光束（右）的光強(qiáng)分布模式。

（來源：科學(xué)網(wǎng) Cai Miao）

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0250-y