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我国首次获得激光3D打印纳米级三维结构
材料来源:科技日报           录入时间:2022/9/19 22:04:44

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。

飞秒激光3D打印纳米铁电畴。图源:南京大学官网

“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。

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