飛秒激光加工如今已經發展成為(wei) 一種極具吸引力的技術，從(cong) 眼部的手術到大量透明材料的直寫(xie) ，各種應用中都有它的重要參與(yu) 。現在，英國南安普敦大學的科學家展示了一種在石英玻璃中進行超快激光寫(xie) 入的新方法，該方法可生成各向異性的納米結構和對應的雙折射效應，且傳(chuan) 輸損耗可忽略不計。這項技術可通過平麵光學器件實現實用的波前整形，並能對從(cong) 紫外線到紅外的高功率激光進行偏振光束整形，以及進行大容量光學數據存儲(chu) 。他們(men) 的研究成果最近發表在國際頂尖光學期刊《Light: Science and Applications》雜誌上。

一般情況下，常規的光學器件（如透鏡或反射鏡）通常通過控製材料的厚度或者折射率來改變光程差，從(cong) 而達到控製相位的目的。近期有研究指出，通過構建幾何結構或者Pancharatnam-Berry相位的手段在空間上改變各向異性，就可以使用平麵光學器件實現具有任意波陣麵的光束。然而，不論是哪種控製各向異性模式的方法，都仍然麵臨(lin) 著難以產(chan) 生低損耗、高損傷(shang) 閾值和高耐久性的隨空間變化的雙折射效應的困難。

針對控製雙折射的各向異性所麵臨(lin) 的這些困難，來自英國南安普敦大學光電研究中心的科學家們(men) 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行直接寫(xie) 入從(cong) 而實現了超低損耗。這種雙折射修飾方法與(yu) 源於(yu) 納米光柵或者納米片的常規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分布的納米孔，這些納米孔的排列方向與(yu) 激光直寫(xie) 時的偏振方向相垂直，這個(ge) 特點正是這種方法具有高透射率以及可控雙折射效應的原因。

這種雙折射修飾方法可以用於(yu) 製造可應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元件，包括幾何相位平麵棱鏡和透鏡，矢量光束轉換器和零階延遲器等。科學家們(men) 用這種方法在石英玻璃中製造的雙折射光學元件具有從(cong) 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材料和基於(yu) 諸如光取向液晶和超表麵的製造方法在幾何相位和偏振整形上遇到的局限性。同時，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現高容量的多路複用數據存儲(chu) 。

他們(men) 的研究成果最近發表在Light: Science and Applications雜誌上。

圖1 圖片展示了在石英玻璃中經過納米孔修飾的幾乎無損的幾何相位平麵透鏡。

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

（圖右）同一個(ge) 透鏡可以矯正-5D的近視和+5D的遠視。

圖2幾何相位光學元件及矢量光束轉換器

圖片展示了用低損耗雙折射修飾方法製作的幾何相位光學元件及矢量光束轉換器。a）慢軸梯度為(wei) 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為(wei) 457nm的CW激光束經過幾何相位棱鏡衍射之後形成的光強分布模式（下）。b）幾何相位透鏡的雙折射圖像，以及具體(ti) 不同圓偏振的工作波長為(wei) 488nm的CW激光束經過幾何相位透鏡聚焦和散焦之後的光強分布模式。對於(yu) 488nm的波長的光，透鏡的焦距為(wei) ±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毫米矢量光束轉換器。轉換器中心部分的慢軸分布如最右圖所示。d）經過不帶偏振器的轉換器之後的343nm波長的激光束的光強分布模式（左）。由帶有偏振器的轉換器產(chan) 生的徑向矢量光束（中）與(yu) 方位矢量光束（右）的光強分布模式。

（來源：科學網 Cai Miao）

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