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撰稿 | 谭德志
最近，光刻技术受到了极大的关注。其中，激光干涉光刻已被广泛应用于制造各种周期性微纳结构，特别是实现超越衍射极限的亚波长级结构的制造。
光干涉现象普遍存在于多光束相互作用或者激光与物质相互作用过程。传统光干涉技术，比如多光束干涉、全息干涉、等离激元干涉等基本上都局限于表面结构的加工与调控，而且产生规则干涉场的过程都比较复杂。迄今为止，我们难以在透明硬脆材料内部实现干涉光刻，形成周期性微纳结构，赋予材料以全新的性质与功能，比如构建由两种折射率不同的材料交替堆叠而成的光子晶体。已有的光子晶体制造技术过程都比较复杂，效率也比较低，大面积规模化制造仍然是技术上的难题。
图1 超快激光诱导自组装相变光刻
近日，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室、上海理工大学人工智能纳米光子学中心以及中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学卓越创新中心合作提出一种全新的单散射中心辅助光干涉形成理论，开拓了单光束激光在透明材料内部诱导形成局部三维空间干涉光场新理念，开发了全无机可调谐光子晶体快速制造技术-自组装相变光刻技术，并实现了光子晶体带隙在近红外大范围内可调控。
相比较于表面微纳架构制造，在透明材料内部特别是玻璃等硬脆材料内部进行微纳加工往往具有更大的挑战性。近年来，超快激光以成为对各种材料进行微纳加工的有力工具，超高的功率密度使得其几乎可以在任何透明材料内部诱发结构的改变，并且具有三维可设计性。
超快激光是一种脉宽非常短的脉冲激光，从时间的尺度来讲，其脉宽可短至10-14~10-12秒（一千万亿分之一~一万亿分之一秒）。经过聚焦，超快激光可以瞬间在材料内部产生极高的温度和压强。在这种局部极端条件，材料的结构会发生许多新奇的意想不到的变化，因此超快激光与物质相互作用已成为材料、物理、信息等多个领域的热点研究方向。在过去的三十余年时间里，邱建荣教授团队一直走在超快激光与物质相互作用研究及其应用的前沿，在新物理现象的发现，新理论提出及新应用开发方面都做出了系列有特色的工作，在国际上产生了重要影响。特别是在近几年，团队在超快激光诱导折射率变化、离子价态操控、热效应精密调控、自组装结构形成、光互连器件的直写及在光信息传输与存储等领域的应用方面取得了系列成果。
2003年邱建荣教授与合作者在预测飞秒激光诱导偏振依赖永久性微结构的基础上，实验发现了单束超快激光可以在石英玻璃内部诱导形成偏振依赖的周期性微纳结构，并提出入射光束与散射光或者等离子体波的干涉理论模型，开拓了其在多维永久光存储等领域的应用，这一发现激发了大量相关的理论和应用研究。但是现有的理论模型都无法阐明其中的奥妙与机理。而且，由于这种散射光主要来源于局部随机分布的缺陷结构，所以可控性很差，且只能产生微小的周期性缺陷结构，无法用于构建光子晶体。另外，这种周期性结构的产生目前只局限于个别几种材料，应用范围有限。提出新的激光干涉理论，开拓新的激光干涉光刻技术对于进一步加深超快激光与物质相互作用的理解以及推动超快激光微纳加工的应用与发展都具有重大意义。
研究团队首次提出单散射中心辅助诱导局部散射空间干涉光场理论，即人为引入单散射中心，在局部区域产生可调控强散射场，并利用其与入射超快激光产生干涉效应，从而实现单光束在透明材料内部诱导形成局部三维空间干涉光场，如图1所示。首先从理论上预言了由单散射中心引起的局部干涉光场三维空间分布（图2），然后在实验上观察到了由干涉光场诱导产生的与光场分布完全一致的周期性结构（图3）。
图2 单散射中心引起的局部干涉光场三维空间分布
与传统的干涉技术不同，所开发的技术不依赖于随机散射或者等离子波，也不需要多光束，而且散射中心的尺寸和形状可以通过控制实验条件来调控。更有意思的是，干涉增强与相消区域可以产生足够强的温度差，使得干涉增强区域足以诱导物相转变-即无序玻璃态结构到有序晶态化结构的转变，而相消区域依然保持玻璃态结构，从而自发形成与干涉光场分布对应的晶态/玻璃态交替的周期性结构，也因此这种技术可以称为自组装相变光刻技术。同时，由于所获得的结构的周期要远小于衍射极限，自组装相变光刻技术具有超分辨直写能力。
图3 干涉光场分布在不同平面投影及在相应平面观察到周期性结构
另外传统干涉光刻结构或者超快激光诱导周期性缺陷结构与激光的偏振方向有关，而基于提出的理论，自组装相变光刻技术所直写的周期性结构只依赖于激光扫描路径（图4），而与激光偏振方向无关，这就为构建光束整形光子学器件开辟了新的途径。
图4 依赖于激光扫描路径的周期性结构
由于晶态与玻璃态之间具有较大的折射率差，本文所直写的周期性结构表现出明显的光子带隙特征，而且这个带隙还可以通过进一步的热致相工程来进行调控，其调控范围可达800 nm（图5）。
图5 依赖于激光扫描路径的周期性结构
进一步的研究表明，所开发的技术原理具有很好的普适性，可以在石英玻璃、石英晶体、蓝宝石等多种玻璃和晶体结构内部直写周期性超分辨结构，而且所观察到的结构与单散射中心辅助诱导局部散射空间干涉光场理论所预期的完全一致。
单光束诱导局部散射三维空间干涉光场理论为光场调控及其应用提供了一种新的思路和理念，基于此的自组装光刻也为周期性光子结构与器件提供了新的技术。结构的优化与调控以及在光子器件领域的应用还有待进一步推进，特别是结合超快激光容易实现三维结构操控的特点，未来应该有更广阔的空间值得挖掘。
本文(共同)第一作者为浙江大学博士生张博与青年教师谭德志博士，通讯作者为谭德志博士与邱建荣教授。合作者包括浙江大学的童利民教授、上海理工大学顾敏教授等。
