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鈮酸鋰材料因其優(yōu)異的電光、聲光等特性，被視為下一代光通信網(wǎng)絡(luò)、微波光子系統(tǒng)和量子信息處理的光子器件的核心材料。14日晚，南京大學(xué)教授張勇、肖敏、祝世寧領(lǐng)銜的科研團隊刊發(fā)于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》的一篇文章顯示，其發(fā)明的新型“非互易飛秒激光極化鐵電疇”技術(shù)，通過控制飛秒脈沖激光射入鈮酸鋰晶體的方向，在晶體內(nèi)部形成有效電場，完成三維結(jié)構(gòu)的直寫和擦除，首次在鈮酸鋰晶體內(nèi)實現(xiàn)了納米級的“三維雕刻”。這一新技術(shù)，把以往光雕刻鈮酸鋰三維結(jié)構(gòu)的尺寸，從微米量級首次縮小到30納米，大大提高了加工精度。

飛秒激光3D打印納米鐵電疇。圖源：南京大學(xué)官網(wǎng)

“在下一代5G/6G通訊和光子芯片的制備領(lǐng)域，鈮酸鋰材料被寄予厚望。然而，受限于傳統(tǒng)加工技術(shù)，對鈮酸鋰內(nèi)部的光學(xué)結(jié)構(gòu)的制備，此前僅限于二維空間和微米級分辨率。”15日，該文章的通訊作者、南京大學(xué)教授張勇告訴科技日報記者。

此次研究中，團隊將飛秒脈沖激光聚焦于鈮酸鋰晶體內(nèi)部進行直寫，晶體在高強度激光作用下發(fā)生多光子吸收，導(dǎo)致局部晶體溫度升高，在晶體內(nèi)部形成了一個有效電場。

“激光射入晶體后，二者發(fā)生相互作用。需要什么樣的光學(xué)結(jié)構(gòu)，就讓激光在晶體里面做相應(yīng)移動，像用筆畫畫一樣。如果畫錯了，可以用隨后的激光矯正前面的光束，達到‘擦除’效果。”張勇解釋，激光“擦除”的功能，豐富了此前飛秒激光僅能直寫的功能，其對光學(xué)結(jié)構(gòu)的修正、重構(gòu)，將豐富激光加工工藝。

“例如用激光加工器件時，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案有瑕疵，就需要調(diào)整器件中的點陣結(jié)構(gòu)。原先的加工方式就要重新設(shè)計器件，但有了‘擦除’功能，就可以用激光僅修改有問題的點陣。”張勇認為，這將降低加工迭代的成本。

研究人員還利用這一特性設(shè)計了不同的加工工藝，在三維空間上均實現(xiàn)了突破衍射極限的光學(xué)結(jié)構(gòu)的尺寸控制，實驗中成功制備出線寬為100納米至400納米的條形光學(xué)結(jié)構(gòu)和尖端寬度為30納米的楔形光學(xué)結(jié)構(gòu)。

“這項技術(shù)有望用于光電調(diào)制器、聲學(xué)濾波器等關(guān)鍵光電器件制備，在5G/6G通信、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)、光計算等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，也將促進高性能三維光、聲、電集成器件的發(fā)展。”張勇說。

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我國首次獲得激光3D打印納米級三維結(jié)構(gòu)