在全无机介电晶体内部通过单脉冲光刻构建非晶光子结构

在晶体内书写光的路径

想象能够像激光打印机在纸上打印墨水一样，直接在透明晶体内部“绘制”微型光路——不同的是这是三维的，而且只需一次成像。该研究展示了如何做到这一点：使用一次超短激光脉冲在固体晶体中雕刻出不可见的玻璃状薄片，这些薄片能以创纪录的效率重塑光。该工作指向更小、更坚固的光学器件，适用于通信、传感和量子技术，并且这些器件被安全地封存于透明材料内部。

为什么要在晶体内部雕刻？

现代信息系统越来越依赖光而非电子，因为光可以更快、更高容量地传输信息且发热更少。问题是当下大多数光子器件仍然构建在平面上：在芯片、薄膜或波导上蚀刻图案。这就像只用一层楼去设计摩天大楼。铌酸锂和石英等晶体具有优异的光学特性，已被用于电信和激光系统，但它们强烈的原子键导致内部图案化难以用标准光刻实现。作者通过将晶体的一小部分区域转变为非晶、玻璃状相来攻克这一障碍——这种相与周围晶体的光学行为截然不同，从而在体材料中实现对光传播和波长转换的强控制。

一次激光打击，显著结构变化

核心创新是一种被称为单脉冲各向异性非晶化光刻的工艺。单个紧致聚焦的超快激光脉冲射入晶体。虽然晶体对普通光几乎不吸收，但聚焦处的极高强度会产生高密度自由电子云，使该微小体积的材料进入一种短暂的类金属态。这些电子在某一方向上传热比其他方向更有效，因而沉积的能量呈不均匀扩散，沿着选定轴拉长。随着高温区域在百万分之一秒内冷却，那条狭窄区域固化为嵌入仍为晶体的环境中的非晶薄片。通过改变激光束形或晶体取向，团队能够控制这些薄片的方向、长度和纵横比，得到厚度薄至约200纳米而长度达数十微米的结构。

调节形状、方向与材料

由于该效应由单次脉冲驱动，它避免了多脉冲写入常见的许多缺陷与不规则，如不期望的裂纹或细小干涉条纹。作者展示了可以将非晶薄片旋转到任意角度，使用狭缝形光束拉伸它们，并实现约190比1的纵横比——就像在晶体内刻写一条刀锋般的带状结构。光学显微与电子成像证实了非晶区与晶体区之间清晰的界面，结构均一性高。重要的是，同样策略不仅适用于铌酸锂，也适用于石英、钽酸锂、正钒酸钇等介电晶体，表明这是一种广泛适用的平台，而非单一材料的技巧。

将隐藏结构转化为光学转换器

这些埋藏的玻璃状薄片充当了强大且精确排列的区域，在这些区域内晶体的非线性响应被“关闭”。通过仔细选择它们的间距和厚度，研究者能设计出在光传播过程中不同颜色互相增强的条件——这是一种称为准相位匹配的策略。在铌酸锂中，他们构建了紧凑的三维光栅，将入射的近红外光束转换为携带涡旋状波前的绿色光。对二次谐波光的总体转换效率约为1.7%，远超以往在类似材料中实现的内部波束整形方案。在通常非线性性能较弱的石英中，他们堆叠叉形图案以同时产生二次和三次谐波，分别达到约3%和0.1%的效率——这是在单块石英晶体中报道的最高非线性波束整形性能。

鲁棒、紧凑，并已就绪用于三维光子学

由于这些图案化区域被坚硬的无机晶体完全包裹，器件在机械上耐用、热稳定，经过加热到1000°C后仅有适度性能下降。结构占据的面积小至数十微米，使其有望成为可与现有光学元件并列的高密度三维光子电路的构建模块。本质上，作者展示了一种新的方法：仅用每个特征一次精细调谐的激光脉冲，就能在常见晶体的内部直接写入清晰、高对比度的光学功能。对于非专业读者来说，结论是我们正从平面、表面绑定的光学走向真正的体积化、在固体内部雕刻的光路径——这项进展可能支撑下一代紧凑、节能的光学技术。

引用: Wang, Z., Ma, R., Lin, H. et al. Single-pulse lithography of amorphous photonic architectures inside all-inorganic dielectric crystals. Light Sci Appl 15, 177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02253-1

关键词: 超快激光光刻, 非晶光子结构, 非线性频率转换, 三维集成光子学, 铌酸锂与石英晶体