我学者首次获得激光3D打印纳米级三维结构

铌酸锂材料因其优异的电光、声光等特性，被视为下一代光通信网络、微波光子系统和量子信息处理的光子器件的核心材料。14日晚，南京大学教授张勇、肖敏、祝世宁领衔的科研团队刊发于国际学术期刊《自然》的一篇文章显示，其发明的新型“非互易飞秒激光极化铁电畴”技术，通过控制飞秒脉冲激光射入铌酸锂晶体的方向，在晶体内部形成有效电场，完成三维结构的直写和擦除，首次在铌酸锂晶体内实现了纳米级的“三维雕刻”。这一新技术，把以往光雕刻铌酸锂三维结构的尺寸，从微米量级首次缩小到30纳米，大大提高了加工精度。

“在下一代5G/6G通讯和光子芯片的制备领域，铌酸锂材料被寄予厚望。然而，受限于传统加工技术，对铌酸锂内部的光学结构的制备，此前仅限于二维空间和微米级分辨率。”15日，该文章的通讯作者、南京大学教授张勇告诉科技日报记者。

此次研究中，团队将飞秒脉冲激光聚焦于铌酸锂晶体内部进行直写，晶体在高强度激光作用下发生多光子吸收，导致局部晶体温度升高，在晶体内部形成了一个有效电场。

“激光射入晶体后，二者发生相互作用。需要什么样的光学结构，就让激光在晶体里面做相应移动，像用笔画画一样。如果画错了，可以用随后的激光矫正前面的光束，达到‘擦除’效果。”张勇解释，激光“擦除”的功能，丰富了此前飞秒激光仅能直写的功能，其对光学结构的修正、重构，将丰富激光加工工艺。

“例如用激光加工器件时，如果发现设计方案有瑕疵，就需要调整器件中的点阵结构。原先的加工方式就要重新设计器件，但有了‘擦除’功能，就可以用激光仅修改有问题的点阵。”张勇认为，这将降低加工迭代的成本。

研究人员还利用这一特性设计了不同的加工工艺，在三维空间上均实现了突破衍射极限的光学结构的尺寸控制，实验中成功制备出线宽为100纳米至400纳米的条形光学结构和尖端宽度为30纳米的楔形光学结构。

“这项技术有望用于光电调制器、声学滤波器等关键光电器件制备，在5G/6G通信、人工智能、神经网络、机器学习、光计算等领域有广泛的应用前景，也将促进高性能三维光、声、电集成器件的发展。”张勇说。(科技日报记者 金凤)

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