常规光学器件通过其构成材料的厚度或折射率来实现波前控制。英国南安普敦大学光电研究中心的一个研究小组发现，在石英玻璃中进行激光写入可以推动一种非常有前途的新型光学器件，当光波通过不同的参数转换时，可以利用几何相位（GP）偏移，例如偏振。

“自发现激光以来，研究人员已经对强激光辐射与玻璃的相互作用进行了许多研究，而玻璃是现代光学技术中的关键材料，”该小组成员Peter G. Kazansky说表示：“玻璃的应用范围很广，从用于激光焊接的高功率激光器到用于光通信的光波导。新的激光写入技术也可能是平面光盘中大容量数据存储的突破。”

偏光元件制作

偏振GP光学元件的制造需要一种称为光学材料的双折射图案化的方法。南安普敦团队表示，尽管这些元件可以通过液晶的光致对准来制造，但其应用受到紫外线（UV）和红外线区域的高吸收以及低化学和热耐久性的限制。另一种方法是在石英玻璃上压印自组装的纳米光栅结构。然而，由于纳米结构的光散射而造成的光学损失是一个重大缺陷。

因此，该团队尝试了一种新型的飞秒激光诱导的双折射刻蚀。研究人员利用激光在石英玻璃中沿垂直于偏振方向拉长的随机分布纳米孔。由于各向异性纳米孔与纳米光栅结构根本不同，代表了一种新型材料。

Kazansky表示：“在超快激光直接写入过程中，玻璃中光束的紧密聚焦会产生高强度，从而导致多光子吸收，然后发生雪崩电离和材料改性。使用飞秒脉冲的一个关键优势是，此类脉冲可以快速而精确地沉积能量，从而导致仅限于焦距处的材料改变。”

尽管尚不清楚纳米孔形成的确切机制，但Kazansky表示：“缺陷形成，碰撞电离和受辐照区域的高温可能是造成这种情况的原因。”

未来市场机遇

研究人员表示，他们的飞秒激光在石英玻璃中用于双折射构图可提供超低散射损耗，在可见光范围内具有99％的透射率，在低至330 nm的紫外线光谱范围内具有90％以上的透射率。

Kazansky认为，低损耗对于实现玻璃中的高容量偏振，多路复用5D光学存储器至关重要。这项技术已被许可给一家私人公司，并且与微软的团队合作证明了玻璃中5D数据存储的概念。

对于技术的大规模商业化，当前的主要挑战是提高写入速度以及超快激光器的高成本。Kazansky认为，要应对这些挑战，大约需要三到五年。