近日，由浙江大学、皇家墨尔本理工大学、西安交通大学等机构组成的国际团队，在国际顶尖光学期刊Light: Science & Applications发表了题为“Single-pulse lithography of amorphous photonic architectures inside all-inorganic dielectric crystals”研究论文。该研究提出单脉冲各向异性非晶化光刻（SAAL）技术，利用单个超快激光脉冲，即可在铌酸锂、石英等多种全无机透明晶体内部直接写入规则、高纯度的非晶单元，显著提升三维非线性光调控器件的构筑效率，并在二次谐波、三次谐波和涡旋光束整形中展现出优异性能。
该文章第一完成单位为浙江大学光电科学与工程学院，极端光学技术与仪器全国重点实验室，通讯作者为张博、邱建荣，第一作者为王卓，马榕泽。
在透明晶体内部按需引入非晶相，利用晶相与非晶相在折射率、吸收及非线性系数等方面的显著差异，是实现芯片内光调控的重要途径。然而，传统的非晶化方法（如快速淬火、气相沉积或粒子辐照）普遍存在空间选择性不足的问题，难以满足高分辨、三维集成及复杂结构的设计要求。
尽管超快激光凭借高峰值功率和非线性吸收优势，已成为透明材料内部微纳加工的核心工具，但在传统的多脉冲累积效应加工模式下，多种强场-物质相互作用的非线性效应在时空维度上相互竞争，极易引发自组织、能量重分布以及严重的相变杂质与热损伤。在加工过程中，多种强场-物质相互作用的非线性效应相互竞争，极易引发自组织、能量重分布及晶体损伤，导致结构不均匀、相变纯度低且加工效率低下，严重限制了非线性光学器件的性能提升。
针对上述瓶颈，研究团队在前期研究基础上（[Adv. Mater., 2023, 35 (47): 2303256 https://doi.org/10.1002/adma.202303256; Nat. Commun., 2025, 16 (1): 5966 https://doi.org/10.1038/s41467-025-61095-4; Nat. Commun., 2025, 16 (1): 6086 https://doi.org/10.1038/s41467-025-61317-9]），通过数值模拟与实验验证发现：通过精确调控激光偏振与晶体取向，可在单脉冲作用下诱导高度各向异性的热沉积。在此过程中，高密度自由电子通过电子热导率放大了局部能量沉积的不对称性，起到了主导作用。基于这一物理机制，团队开发出通用的单脉冲各向异性非晶化光刻（SAAL）技术。该方案以单脉冲加工为核心，有效避开了多脉冲模式下的自组织与热积累问题，为全无机三维集成光子学提供了一种高效、可靠且高纯度的制造新途径。
单脉冲相变写入：突破传统多脉冲累积加工路径，单个超快激光脉冲即可在晶体内部诱导高纯度非晶相变，大幅提升加工效率并降低热损伤风险。
自由电子-热效应协同驱动：研究揭示，高密度自由电子与热效应协同，可显著增强局域各向异性热沉积，从而触发高质量、定向可控的非晶化过程。
高长径比、可编程结构单元：所得非晶单元呈规则薄片状，长径比最高达到190:1，并可通过光场塑形，灵活调控取向、长度和空间排布。
跨材料普适：该方法已在铌酸锂、石英、钒酸钇（YVO4）、钽酸锂等多种透明晶体中得到验证，显示出良好的材料适用性。
图1 SAAL技术概念
图2 SAAL技术机理
图3 SAAL的结构特性、调控和跨材料普适性
图4 LN晶体中的SAAL非线性光调制
图5 基于SAAL的石英晶体多功能非线性光调制
本研究提出了一种基于高密度自由电子调控的单脉冲各向异性非晶化光刻机制，实现了透明介质晶体内部高纯度、规则可控的三维相变构筑。该方法兼具高精度、高效率和材料普适性，在非线性频率转换、涡旋光束产生以及三维集成光子系统等方面展现出广阔应用前景。未来，该技术有望与先进光场调控、拓扑光子学及超材料设计相结合，构建新一代全无机三维集成光子平台。
文章信息：
Wang, Z., Ma, R., Lin, H.et al. Single-pulse lithography of amorphous photonic architectures inside all-inorganic dielectric crystals. Light Sci Appl 15, 177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02253-1
张博，浙江大学光电科学与工程学院副研究员，2021年毕业于浙江大学，获光学工程博士学位，香港理工大学电气工程系访问学者，主要研究方向为超快激光与物质相互作用、微纳制造、先进光存储。以第一/通信作者在NatureElectronics、NatureCommunications (´2)、Light Science & Applications(´2)、Advanced Materials、PhotoniX等国际知名期刊发表学术论文20余篇，授权国家发明专利3项，制订中国电子学会团体标准1项，主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、国家资助博士后研究人员计划等项目。
邱建荣，浙江大学求是特聘教授，博士生导师。国家高层次人才，美国光学学会Fellow，美国陶瓷学会Fellow，世界陶瓷科学院院士。主要从事超快激光与物质相互作用、玻璃与光纤材料、非线性与发光材料等研究，成果入选2022年度中国科学十大进展，中国光学十大进展，曾获美国陶瓷协会G. Morey奖、国际Otto-Schott研究奖、日本陶瓷协会学术奖，在《Science》《Nature Photonics》《Nature Communications》《Advanced Materials》等期刊发表论文500余篇，SCI他引30000余次。
撰稿：课题组
