超快激光诱导透明电介质内部纳米光栅的材料路线图

近日，上海大学物理系超快光子学实验室戴晔教授团队与巴黎萨克雷大学ICMMO实验室Matthieu Lancry教授团队在国际著名学术期刊《Progress in Materials Science》上合作发表了题为“Materials roadmap for inscription of nanogratings inside transparent dielectrics using ultrafast lasers”的长篇综述文章。

该论文以“光与物质相互作用”中的“物质”(包括透明电介质、半导体和晶体等)为重点，对近二十年来超快激光诱导纳米光栅的形成机理进行了介绍和讨论，并在基于材料化学组分的基础上对其周期性、纳米孔尺寸、填充因子以及相关的“光学性能”(纳米光栅形成的起始/破坏的能量窗口、最大延迟量或者双折射)和“技术性能”(诱导纳米光栅的能量消耗、激光扫描速度以及热稳定性)进行了分析和总结。

近年来，超快激光脉冲在透明材料加工领域内已经成为一种非常优异的加工工具，它可以诱导出具有高自由度和高空间精度的2D/3D结构改性。由此，人们可以很大程度上根据激光辐照参数来诱导自组织结构、孔洞、纳米晶体等结构改性，以及进行3D折射率分析。紧聚焦飞秒激光与光学材料相互作用的最有趣和最富创新的现象之一就是产生自组织的纳米周期结构—纳米光栅，在该结构的基础上又发展出各类应用，包括双折射元件、几何相位光学元件、超稳定超高密度5D光存储技术和耐极端环境的光纤传感器，上述应用都利用了这种“光诱导结构”(事实上并非真正的结构自组织)的光学各项异性特点。

在透明材料内部激光辐照的区域，通过电子显微镜可以直接观察到纳米光栅，图1(a)给出了示例(在常见的二氧化硅玻璃内部)，纳米光栅的平面通常垂直于激光偏振E。这些结构是由直径几微米的纳米平面组成，如图1(a)顶部。此外，图1(a)底部展示了纳米光栅形成时的等离子体密度和温度的局域分布，图中峰值温度已超过了二氧化硅结构的分解极限。

图1(a)飞秒激光诱导玻璃内部纳米光栅结构图与等离子体密度与温度的空间分布。(b)飞秒激光诱导的纳米光栅结构示意图。(c)飞秒激光诱导菲涅尔波带片的光学显微照片与632 nm下的一级聚焦图像。

通过调节激光辐照的参数，研究者们已经在多种透明材料内部诱导并观察到了纳米光栅。研究最多的纳米光栅由熔融石英玻璃内部诱导的规则排列的纳米平面组成，每个平面都包含椭圆状的纳米孔(尺寸10至30 nm)。玻璃内部的氧化物分解(等离子体的纳米空化)导致这些纳米孔产生。这些排列的平面对激光偏振很敏感，拥有显著的光学双折射(导致较大光学延迟量(大于200 nm))，并具有可应用的光学带宽以及非凡的热稳定性。此外，这些纳米层表现出交替排列的高/低原子密度特征(如图1(b))，这也导致折射率的高/低分布(nG和npl)。最近的新进展表明，线偏振光诱导的纳米孔层还可以改变玻璃的结构对称性，导致非手性材料内产生光学手性结构，发展出激光直写手性光学元件的新方法。

上述所有光学特性已应用于2D/3D空间可变双折射光学器件、几何相位光学元件、高温光学传感器、长寿命5D光存储、微流体、芯片实验室器件以及偏振选择全息术。图1(c)给出了一个光学元件的例子，在中红外波段的重氧化物8% Ta2O5-BGG玻璃内通过激光制造了一个外径为2 mm的双折射菲涅尔梯度折射率(GRIN，graded-index)片。该菲涅尔波带片实现了2π的最大相位延迟，图1(c)底部图给出了其典型的主焦斑图。

直至最近，由纳米孔结构组成的自组织纳米光栅，被认为仅形成在少数材料(以硅基氧化物玻璃为主)中，因此其应用范围被限制在可见光和近红外光谱内。过去10年间，玻璃物理性质(熔化温度、热扩散率、吸收率等)对纳米光栅形成过程的影响也得到广泛的研究与合理的解释，研究人员发现不同的化学组分会影响纳米光栅的形成，但该方向缺乏较为系统的研究。。这篇综述归纳整理了国际上一些研究团队目前为止提出和发现的，纳米光栅形成与光学玻璃化学组分之间的内在规律，提出纳米光栅光学性质(纳米光栅能量窗口、光学延迟量和双折射)可以随玻璃组分而成比例地变化，光学延迟量与双折射成正比，并讨论了不同组分玻璃中纳米光栅的周期性、纳米孔尺寸、填充因子(FF，filling factor)以及相关的“技术性能”，后者代表纳米光栅形成的起始/破坏的能量窗口、最大延迟量或者双折射、诱导纳米光栅的能量消耗、激光扫描速度以及热稳定性，上述“技术性能”的评估有望推动超快激光制造技术在工业和实验室应用时玻璃的设计和激光参数的选择。

事实上，多种玻璃或者晶体中均观察到了超快激光诱导的纳米光栅存在，包括掺杂F、P、Ge、Cl、OH的二氧化硅玻璃、GeO2玻璃、SiO2–GeO2玻璃、TiO2–SiO2玻璃(ULE、Corning)、TeO2单晶、蓝宝石、Al2O3–Dy2O3二元玻璃、LNS甚至多组分铝硼硅酸盐或BGG玻璃。文章作者将文献中收集的结果绘制成折射率-玻璃退火温度图，如图2所示，折射率与退火温度均是玻璃材料的特性，也是玻璃制造商和用户参考的两个关键方面。文章作者以纳米光栅发展的材料路线为基础将发展历史分为三个阶段，1)2003至2014;2)2016至2020;3)2020至2023。

图2不同玻璃的折射率(550 nm下测得)与玻璃退火温度之间的函数关系，(a)观察到纳米光栅的不同材料。(b)、(c)和(d)为BK7玻璃中纳米光栅的扫描电子显微镜图

纳米光栅一般分为四类：第一种可在大部分氧化物玻璃(如SiO2)中观察到，同时也是首次观察到的类型，这一类型是以超快激光激发下氧化物分解形成的纳米多孔层为基础;第二种纳米光栅通常在半导体(GaP和Si)和氧化物晶体(Al2O3和TeO2)中被观察到，其实验结果表明激光诱导的条纹均整齐地排列并垂直于激光偏振方向;第三种类型是激光诱导周期性非晶化的现象(例如石英晶体中)，该类型可能是由受激电子等离子体结合辐照引起的热效应的局部波动造成;最后一种类型是激光诱导玻璃内部周期性纳米结构，组成结构的纳米层出现了结晶化现象，其可见于LNS(LiNbO3晶体沉淀)玻璃、(33Li2O–33Nb2O3–(34-x)SiO2)–xB2O3非全等玻璃、20Na2O-80GeO2玻璃(全等玻璃组分Na2Ge4O9)、65Al2O3–35Dy2O3玻璃(全等玻璃组分Dy3Al5O12)。

关于纳米光栅形成的机制，受激等离子体引起的纳米空化过程被认为是导致空间有序纳米光栅形成(由于散射波干涉)的原因，其过程如下：第一步是介质中随机分布的晶格缺陷为该过程埋下种子;第二步是受激等离子体的形成和局部场增强效应导致椭球(扁)纳米等离子体热点(高电子等离子体密度或能量)的形成;第三步是辐照后自由电子和声子之间的能量转移引起纳米尺度范围的局部热分布;第四步是纳米等离子体热点和玻璃基体之间的温差会导致局部热膨胀，引起相应的应力产生。

图3氧化物玻璃中孔状纳米光栅形成机理的示意图

文章作者通过总结课题组近期的成果，发现不同化学组分的玻璃中的纳米光栅具有不同的周期，大多集中在附近，更确切地说是，这些周期的变化有可能取决于Rudenko等人提出的不均匀性浓度Ci。玻璃化学组分不同，诱导的纳米孔大小会变化。例如具有较高SiO2含量的玻璃会呈现较小的纳米孔径，但在Al2O3–SiO2二元玻璃光纤芯中，其会随着Al2O3含量的增加而增加。此外，化学组分导致的玻璃粘度也会影响纳米光栅能量窗口，图4展示了玻璃网格中形成体与修饰体在纳米光栅形成中扮演了不同的重要角色。另外化学组分还能影响纳米光栅最大延迟量与双折射，例如在含SiO2或GeO2量高的玻璃中诱导的纳米光栅具有更高的延迟量。化学组分也影响纳米光栅“技术性能”(写入速度、最大延迟量及功率消耗)，SiO2和GeO2因其性能优异而始终是释放其工业潜力的最佳候选玻璃。最后，化学组分还会影响纳米光栅热稳定性，热稳定性是评价光学器件实际应用潜力最直接的一环， Infrasil玻璃和N-BK7玻璃分别表现出最佳和最低的热稳定性，并且增加Al2O3含量有可能提高其热稳定性。