本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

光激發(fā)是自然界中光與物質(zhì)相互作用的最重要表現(xiàn)之一，例如植物的光合作用，生物的視覺(jué)，攝影和材料的激光加工。通常認(rèn)為，物質(zhì)吸收的光越多，產(chǎn)生的材料改性就越強(qiáng)。然而，在飛秒激光對(duì)玻璃的加工中，情況并非如此。

飛秒（1 fs=10?1? s）激光脈沖有著超短脈沖時(shí)間和超高峰值功率的特點(diǎn)，所以可以在透明材料中快速精確地沉積能量并獲得超高的三維空間分辨率，從而被廣泛應(yīng)用在眼科手術(shù)、三維集成光學(xué)、量子光學(xué)、微流控器件、光學(xué)器件制備和光存儲(chǔ)等領(lǐng)域。然而，很多觀察到的物理現(xiàn)象并沒(méi)有完備的解釋。另一方面，相對(duì)較低的加工速度和較高的加工成本限制了飛秒激光加工技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

雙折射，即光波入射到各向異性介質(zhì)中分解成振動(dòng)方向互相垂直，折射率不同的兩種偏振光，是光學(xué)中一種常見(jiàn)的現(xiàn)象。常用的光學(xué)元件，如半波片和偏振片等，都是基于晶體的雙折射性質(zhì)制備的。

玻璃本身并沒(méi)有雙折射性質(zhì)。研究者已經(jīng)證明了聚焦的飛秒激光脈沖可以在石英玻璃中誘導(dǎo)產(chǎn)生具有雙折射性質(zhì)的周期性的納米光柵結(jié)構(gòu)。

這種靈活可控的雙折射已經(jīng)被應(yīng)用于（1）具有無(wú)限壽命的高密度多維光存儲(chǔ)；（2）制備高損傷閾值的幾何相位器件和矢量光轉(zhuǎn)換器。納米結(jié)構(gòu)形成的物理機(jī)理以及如何提高其制備效率一直是研究的熱門話題。

近日，英國(guó)南安普頓大學(xué)的Peter G. Kazansky教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組證明了橢圓偏振的飛秒激光脈沖能在石英玻璃中產(chǎn)生更強(qiáng)的雙折射改性（圖1）。

圖1：不同橢圓偏振度的飛秒激光脈沖寫(xiě)入的雙折射改性。（a）不同橢偏度寫(xiě)入的雙折射體素和（b）測(cè)量的相位延遲。（c）不同橢偏度光脈沖的吸收率。

盡管橢圓偏振的光脈沖（橢偏度為0.6）的吸收率只有線性偏振光的40%左右，但卻能產(chǎn)生1.5倍的相位延遲。換言之，利用橢圓偏振的飛秒激光脈沖，我們可以用更少的能量產(chǎn)生更強(qiáng)的材料改性。這種雙折射改性內(nèi)部是隨機(jī)分布的各向異性的納米孔，它們有著高達(dá)99%的光學(xué)透射率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的基于納米光柵的雙折射改性。

相關(guān)成果以“Efficient ultrafast laser writing with elliptical polarization”為題發(fā)布于Light: Science & Applications。本論文主要作者是英國(guó)南安普頓大學(xué)的博士生雷雨昊，共同通訊作者是Peter G. Kazansky教授。主要合作者包括拉脫維亞大學(xué)的Linards Skuja教授和東芬蘭大學(xué)的Yuri Svirko教授?，F(xiàn)工作于吉林大學(xué)的王磊副教授和于顏豪工程師亦對(duì)本文做出重要貢獻(xiàn)。

相比于線性偏振的脈沖，橢圓偏振的光脈沖能在石英玻璃中產(chǎn)生了占空比更大的納米小孔（圖2）。各向異性的納米孔的形成包含兩個(gè)部分：納米孔的產(chǎn)生和納米孔的拉伸。作者提出，橢圓偏振光脈沖所產(chǎn)生的最強(qiáng)的材料改性是納米孔的產(chǎn)生和拉伸平衡后的結(jié)果。

圖2 超快激光寫(xiě)入的雙折射結(jié)構(gòu)。（a）雙折射圖像。（b）各向異性納米孔的掃描電子顯微鏡圖像。

一方面，納米孔的拉伸是基于近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，這意味著線性偏振光可以最大化的拉伸納米孔。另一方面，圓偏振光可以產(chǎn)生更多的納米孔。因?yàn)橥ㄟ^(guò)隧道電離，圓偏振光能更有效的激發(fā)石英玻璃中低電離能的缺陷，從而產(chǎn)生占空比更大的納米孔。

通常認(rèn)為，多光子電離在飛秒激光對(duì)透明材料的加工中占主導(dǎo)地位。但這項(xiàng)研究揭示了對(duì)激光誘導(dǎo)的低激發(fā)能的缺陷的隧穿電離，是石英玻璃中納米結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵。

橢圓偏振飛秒激光寫(xiě)入已經(jīng)被應(yīng)用到五維永久光存儲(chǔ)中，其數(shù)據(jù)讀出準(zhǔn)確率接近100%。一方面，相比于傳統(tǒng)的線偏振光寫(xiě)入，橢圓偏振光能以更少的脈沖數(shù)和更小的能量寫(xiě)入相同質(zhì)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度。另一方面，具有超高透射率和高損傷閾值的幾何相位器件以及矢量光轉(zhuǎn)換器的制備時(shí)間也被大幅度降低，有望在高功率激光器和紫外激光器中得到應(yīng)用。

| 論文信息 |

Lei, Y., Shayeganrad, G., Wang, H. et al. Efficient ultrafast laser writing with elliptical polarization. Light Sci Appl 12, 74 (2023). 

https://www.nature.com/articles/s41377-023-01098-2

閱讀原文