飛秒激光加工如今已經發展成為一種極具吸引力的技術，從眼部的手術到大量透明材料的直寫，各種應用中都有它的重要參與。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，且傳輸損耗可忽略不計。這項技術可通過平面光學器件實現實用的波前整形，并能對從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。他們的研究成果最近發表在國際頂尖光學期刊《Light: Science and Applications》雜志上。

一般情況下，常規的光學器件（如透鏡或反射鏡）通常通過控制材料的厚度或者折射率來改變光程差，從而達到控制相位的目的。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，就可以使用平面光學器件實現具有任意波陣面的光束。然而，不論是哪種控制各向異性模式的方法，都仍然面臨著難以產生低損耗、高損傷閾值和高耐久性的隨空間變化的雙折射效應的困難。

針對控制雙折射的各向異性所面臨的這些困難，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入從而實現了超低損耗。這種雙折射修飾方法與源于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激光直寫時的偏振方向相垂直，這個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于制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，包括幾何相位平面棱鏡和透鏡，矢量光束轉換器和零階延遲器等。科學家們用這種方法在石英玻璃中制造的雙折射光學元件具有從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于諸如光取向液晶和超表面的制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復用數據存儲。

他們的研究成果最近發表在Light: Science and Applications雜志上。

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面透鏡。

（圖左）平面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±208nm；

（圖右）同一個透鏡可以矯正-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制作的幾何相位光學元件及矢量光束轉換器。a）慢軸梯度為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457nm的CW激光束經過幾何相位棱鏡衍射之后形成的光強分布模式（下）。b）幾何相位透鏡的雙折射圖像，以及具體不同圓偏振的工作波長為488nm的CW激光束經過幾何相位透鏡聚焦和散焦之后的光強分布模式。對于488nm的波長的光，透鏡的焦距為±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后的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生的徑向矢量光束（中）與方位矢量光束（右）的光強分布模式。

（來源：科學網 Cai Miao）

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