撰稿人 | 王卓
论文题目 | Ultrafast laser-induced self-organized nanostructuring in transparent dielectrics: fundamentals and applications
作者 | 张博，王卓，谭德志，邱建荣
完成单位 | 浙江大学，之江实验室
新一代光子元件和集成光学系统很大程度上依赖于刻写在透明电介质内部的各种三维微纳结构，如光波导、光耦合器、光子晶体等，这对微纳制造技术提出了极高的要求。目前，受限于基体材料极低的线性光吸收率和较高的改性阈值，几乎无法通过传统的光刻方法在各种全无机透明电介质内部构建复杂的三维微纳光子结构。
超快激光是20世纪最伟大的发明之一。超快激光与物质相互作用过程中新现象的陆续发现，催生了一大批先进制造技术。其中，超快激光诱导的自组织材料修饰可以在各种透明介质中高效创建功能微纳结构，有望作为构建新一代集成光子元件的有效途径。经过20多年的发展，激光诱导自组织材料修饰的新颖现象、基础理论和工程应用等被广泛研究和报道。特别是近年来，在大数据存储、极端制造、片上实验室、先进传感与探测等前沿学科发展的带动下，透明电介质内部的超快激光三维自组织微纳加工已成为一个快速兴起的研究热点，受到越来越多的关注。
近日，浙江大学邱建荣团队对超快激光在透明介质内部诱导自组织微纳加工基础及应用研究的发展情况进行了综述，论文回顾了超快激光在各种玻璃和晶体基质中激发自组织材料修饰的发展历程，重点介绍了常见的自组织微纳结构及其形成机理，分类讨论了自组织微纳结构在各个领域应用的最新动态，并展望了该技术未来的发展趋势和前景。该综述以“Ultrafast laser-induced self-organized nanostructuring in transparent dielectrics: fundamentals and applications”为题，发表于光学领域权威期刊PhotoniX。该论文第一作者为浙江大学张博博士，通讯作者为浙江大学邱建荣教授。
近年来，超快激光在透明电介质内部刻写微纳结构为大数据永久存储、先进光学操控、传感、检测和通信等诸多领域的挑战性问题提供了有力的解决方案。本综述梳理了超快激光在透明电介质内部自组织微纳加工技术的发展历程和重要研究成果，分别介绍了超快激光在不同材料中诱导的典型自组织结构类型，包括自组织纳米光栅、周期性相变、周期性纳米孔洞及其物理化学性质，详细讨论了超快激光自组织微纳加工的主流物理机制以及相应的实验结果，包括基于空间干涉场调制的模型、基于等离子体的各项异性生长模型和基于缺陷辅助的模型。在工程应用方面，本文着重介绍了自组织微纳结构在衍射光学、光纤光学、超高密度光存储、微流控、极端制造等领域的最新发展动态。在本文中，我们重点关注近十年来世界各主要研究机构在超快激光自组织微纳加工领域所开展的重要工作，并对现存问题、研究空白和主要挑战进行了评述和探讨。最后，我们对超快激光自组织微纳加工及相关技术的未来发展趋势和前景进行了展望。本文以全面的视角提供了超快激光自组织微纳加工技术的现象、原理、操纵技术和潜在应用的分析，有助于促进对超快激光与物质相互作用的物理过程的理解，并为探索更多基于强场诱发极端物理过程的潜在应用提供启发，这些结果对于跨领域科学与技术的发展具有广泛而深远的意义。
图1 超快激光诱导自组织微纳结构的现象、相应机制和所创建结构的应用。
超快激光诱导的自组织材料修饰凭借其极高的制备效率、良好的可控性、产物优异的物理化学性质和极强的稳定性等优势，为透明介质内部构建三维复杂微纳光子器件提供了新的途径，在衍射光学、光纤光学、光存储、光流控等多个领域获得越来越广泛的关注和报道。该综述系统性总结和讨论了玻璃和晶体中超快激光自组织微纳加工近二十年来取得的研究成果和重要进展，从自组织现象、生成原理、工程应用、到未来展望。可以预见，将超快激光自组织微纳加工与更多前沿技术相结合，有望建立一系列高度通用的材料改性方法，从而实现在全无机透明介质中灵活构建更加复杂的集成光学系统。
张博，本文第一作者，博士，浙江大学光电科学与工程学院助理研究员，主要研究方向为超快激光与物质相互作用、微纳制造、先进光存储等，近年来，以第一/通信作者在PhotoniX、Light Science & Applications、Advanced Materials、Opto-Electronic Advances、Advanced Optical Materials等国际权威期刊发表学术论文10余篇，获批国家发明专利3项，获浙江大学博士后特别资助，主持博士后科学基金面上项目1项。
邱建荣，本文通讯作者，浙江大学求是特聘教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，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，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、Natture Communications、Advanced Materials等期刊发表论文500余篇，SCI他引30000余次。
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-023-00101-8
文献检索：
PhotoniX 4, 22 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-023-00101-8
