《激光与光电子学进展》于2024年第11期（6月）推出创刊六十周年系列专题之“铌酸锂光子学器件”，本封面为南京大学张勇教授课题组特邀论文“像差预补偿的铌酸锂晶体内部激光直写”。
封面以经典的“俄罗斯方块”游戏类比，展示了基于空间光调制器波前调控对激光光束进行像差预补偿进而实现铌酸锂晶体内部深度激光直写的技术。针对特定深度进行像差预补偿光束整形激光加工的过程与经典的俄罗斯方块游戏有着异曲同工之妙，针对特定深度下的空缺位置，只有特定形状的俄罗斯方块可以完美匹配。图中展现了空间光调制器预补偿光束整形的过程即产生对应加工深度下所需形状的俄罗斯方块，经过聚焦后恰好与聚焦深度处的空位耦合，实现良好的聚焦形貌控制。由此，像差预补偿的铌酸锂内部深度激光直写可以形象地比喻为铌酸锂晶体内的“光学俄罗斯方块”。
文章链接：王天新, 张勇. 像差预补偿的铌酸锂晶体内部激光直写（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(11): 1116001.
铌酸锂凭借其自身优秀的电光、声光、压电特性成为了当前集成光子学发展的重要材料。当前已在非线性频率转换、全息复用、电光调制、量子光源等领域发挥了不可替代的作用。
飞秒激光直写技术基于多光子吸收效应，可以实现对透明材料内部的三维结构加工。该技术被广泛应用于光波导阵列结构的直写、三维微流控制备、高硬度材料如金刚石、蓝宝石的加工及大规模光子晶体的制备。其核心在于全空间维度的加工能力。
然而，在铌酸锂飞秒激光深度直写中，由于铌酸锂自身较高的折射率（室温下800 nm处no=2.25）由于激光聚焦入射介质与晶体之间较大的折射率差异，因折射率失配引入像差导致的聚焦光斑畸变严重制约了深度加工过程中激光直写的精度。
基于自适应光学的像差校正技术是一种提升高折射率材料内部激光直写精度的有效手段。以液晶空间光调制器，对入射激光光束波前进行针对特定加工深度下的像差进行反向预补偿，可以有效改善高折射率晶体内聚焦光斑的形貌。其通用性良好、灵活性高，是实现飞秒激光直写真正意义上全空间维度加工的关键技术。
当激光光束由物镜聚焦入射铌酸锂晶体时，由于入射介质n1与铌酸锂晶体折射率n2之间的差异，聚焦光束在晶体内部传播光程与不经过晶体介质时存在明显的光程差，此即为像差产生的直接原因。由于泽尼克多项式与像差之间天然的对应关系，以泽尼克多项式对像差函数展开是研究各像差组分、描述波前特性的直观有效手段。在飞秒激光深度直写中，对应0类泽尼克多项式的第4、6、8三阶的前三级球差项是导致聚焦光斑拉长、劈裂的主要因素，大量研究表明，对前三级球差进行预补偿校正可以显著改善光斑聚焦形貌，提升高折射率晶体内部深度激光直写的精度。
表1 n 阶0类泽尼克多项式的公式表达及物理意义
液晶空间光调制器是一种可对入射激光波前相位进行像素化精细调制的有力工具。其通过外加电场调制特定像素位置液晶层的折射率进而实现像素化的相位调控。针对激光直写中球差预补偿的情况，通过数值计算得到由前三级球差导致的像差，并以此得到空间光调制器上所需加载的反向补偿相位。
图2 搭建的基于空间光调制器的像差预补偿激光加工系统示意图
为此，我们设计并搭建了基于液晶空间光调制器的像差预补偿飞秒激光直写系统，激光放大器输出的飞秒激光脉冲经缩束透镜组准直缩束后匹配空间光调制器的有效作用窗口。经调制后的激光光束再次经过准直透镜后匹配物镜系统的后端镜，以充分利用物镜的聚焦能力。随后，激光光束聚焦于电控位移台承载的铌酸锂晶体样品内进行高精度的激光直写。
以搭建的像差预补偿飞秒激光直写系统对铌酸锂晶体进行了深度激光直写测试。对激光直写后的区域，从侧面采用共聚焦显微镜扫描，观测激光聚焦改性区域的共聚焦扫描倍频信号以确定各深度下的激光直写效果。
图3 铌酸锂内部深度激光直写侧向共聚焦扫描图。（a）未进行像差补偿，高入射激光能量下的侧向扫描图样；（b）未进行像差补偿，以阈值能量入射下的侧向扫描图样；（c）进行像差补偿，以阈值能量入射下的侧向扫描图样
测试中，对比了高于加工阈值入射激光能量下不加载补偿相位、加工阈值激光能量下不加载补偿相位及阈值能量下加载补偿相位三种情况。在不进行像差预补偿的情况下，在表面以下110 μm测试加工范围内，聚焦光斑均出现了较明显的焦斑畸变。而在像差补偿阈值能量加工的情况下，光斑聚焦形貌得到了显著的改善。
本研究工作给出像差函数的基本表达形式。阐述了泽尼克多项式与像差之间的对应关系，并以此给出了针对前三级球差进行补偿的相位计算方法。设计搭建了基于空间光调制器的像差预补偿激光加工系统，并进行了铌酸锂晶体内部的三维激光加工测试。经相位补偿后，各聚焦深度均获得了均匀性良好的聚焦光斑，聚焦改性区域长度均控制在 2 μm 量级，且未见聚焦次点产生。
基于空间光调制器的像差预补偿技术极大地提升了铌酸锂晶体内部飞秒激光直写的精度，为基于飞秒激光直写的铌酸锂三维线性及非线性光子结构制备提供了行之有效的技术方案，真正意义上发挥出了飞秒激光直写技术在全空间维度的加工能力。
南京大学张勇教授课题组，主要从事铌酸锂光子学方面的研究，包括铌酸锂微纳结构中光与物质的相互作用，以及其在激光技术、光电芯片、信息处理等领域中的应用。近年来，发展出激光极化和擦除铁电畴技术，将铌酸锂非线性光子晶体研究从一维和两维拓展到了三维，调控单元尺寸从几个微米减小到了几十纳米，实现了高效率、高容量、高精度的光场调控，在Nature、Nature Photonics、Physical Review Letters、Nature Communications、《激光与光电子学进展》、《中国科学: 技术科学》等学术期刊发表论文100多篇，研究工作入选2018年和2022年中国光学十大进展。详细介绍见课题组网页：nonlinear.nju.edu.cn。
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