光學(xué)色散作為基礎(chǔ)物理現(xiàn)象，能將復(fù)色光分解為不同波長(zhǎng)的單色光（如彩虹形成），在光譜分析、精密測(cè)量與光學(xué)成像等前沿領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。隨著可穿戴光電系統(tǒng)、片上集成光子學(xué)的迅猛發(fā)展，研制具有微米級(jí)特征尺寸的光子器件，已成為開(kāi)發(fā)新一代小型化、集成式裝備的核心關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)的色散元件（如棱鏡、干涉儀、衍射光柵）受限于厘米量級(jí)光程要求和嚴(yán)苛的幾何對(duì)準(zhǔn)精度，難以滿足超緊湊光學(xué)系統(tǒng)對(duì)空間效率與結(jié)構(gòu)魯棒性的要求。在此背景下，微尺度光學(xué)色散技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，旨在將色散工作尺度壓縮至微米量級(jí)，已成為集成光子學(xué)的前沿研究熱點(diǎn)。而開(kāi)發(fā)兼具寬帶響應(yīng)、緊湊尺寸、高色散精度及強(qiáng)穩(wěn)定性的微尺度光學(xué)色散器件，并實(shí)現(xiàn)其簡(jiǎn)捷高效的設(shè)計(jì)制造，是當(dāng)前亟待突破的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)。

近日，浙江大學(xué)光電學(xué)院邱建榮教授團(tuán)隊(duì)、信電學(xué)院楊宗銀教授團(tuán)隊(duì)、新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)超快激光在鈮酸鋰晶體中誘導(dǎo)人工色散微區(qū)實(shí)現(xiàn)了三維自由空間中超寬帶光學(xué)色散的按需定制，該方案支持在50×10×6 μm3 超緊湊空間內(nèi)精確按需構(gòu)建具有超寬帶光譜響應(yīng)（> 1300 nm）的微尺度光學(xué)色散平臺(tái)，該平臺(tái)展現(xiàn)出高度設(shè)計(jì)靈活性、角度不敏感特性及優(yōu)異的極端環(huán)境抗干擾能力，為新型寬帶片上微型光譜儀、高光譜成像、信息記錄、防偽加密等應(yīng)用開(kāi)辟了全新技術(shù)路徑，為推動(dòng)三維集成光子學(xué)的發(fā)展提供了全新思路。該成果以“3D ultra-broadband optically dispersive microregions in lithium niobate”為題發(fā)表于Nature Communications。

研究創(chuàng)新點(diǎn)

機(jī)理創(chuàng)新：三維微尺度光學(xué)色散產(chǎn)生

為了將光學(xué)色散壓縮至微米尺度，本研究通過(guò)超快激光在鈮酸鋰晶體內(nèi)部誘導(dǎo)亞波長(zhǎng)相變納米條紋（SPNs）構(gòu)建色散微區(qū)（圖1a）。由于超快激光與鈮酸鋰晶體相互作用過(guò)程中納米等離子體的各向異性生長(zhǎng)，焦點(diǎn)體積內(nèi)的SPNs呈周期性排列，其中非晶態(tài)納米條紋寬度約為20 nm，周期約為200 nm（圖1b）。由于鈮酸鋰晶體和非晶相之間顯著的折射率差異，根據(jù)有效介質(zhì)理論，色散微區(qū)可等效視為各向異性介質(zhì)層，對(duì)入射光的相位和偏振進(jìn)行二次調(diào)制（圖1c），從而在激光修飾區(qū)域內(nèi)建立O光和E光的頻率相關(guān)干涉（圖1d），干涉光頻率與O光和E光抵達(dá)色散微區(qū)時(shí)的相位差相關(guān)（圖1e）。通過(guò)設(shè)計(jì)激光寫入路徑在晶體內(nèi)部構(gòu)建光楔結(jié)構(gòu)，可以直接產(chǎn)生連續(xù)變化的相位差，簡(jiǎn)捷高效地實(shí)現(xiàn)三維空間微尺度光學(xué)色散（圖1f）。

圖1 鈮酸鋰中微尺度光學(xué)色散原理

三維微尺度光學(xué)色散按需操控

通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控光楔角度及取向，可以設(shè)計(jì)MOD的光學(xué)特性。例如，在三維空間中扭轉(zhuǎn)色散微區(qū)能夠精細(xì)調(diào)整其分光方向與模式（圖2a, b）；調(diào)節(jié)楔角大小則可控制不同頻率光干涉的條紋間距，進(jìn)而調(diào)控MOD的整體工作尺寸（圖2c-e）?；诖嗽恚梢詫⑸^(qū)域長(zhǎng)度壓縮至50 μm，寬度減小至10 μm，光楔厚度僅為6 μm（圖2f），從而在極緊湊的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)整個(gè)可見(jiàn)光波段的有效色散，使得基于傳統(tǒng)架構(gòu)的光學(xué)元件在尺寸上首次可與超材料相媲美。這種超緊湊設(shè)計(jì)允許MOD元件能夠集成于塊體、各類基板以及薄膜等多種襯底之中，展現(xiàn)出優(yōu)異的通用性和可集成性。

圖2 三維光學(xué)色散微區(qū)設(shè)計(jì)與調(diào)控

基于此方法創(chuàng)建的MOD元件展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。首先，光楔結(jié)構(gòu)支持產(chǎn)生連續(xù)的寬帶光學(xué)色散信號(hào)，構(gòu)建的色散元件展示出涵蓋紫外、可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域的超寬光譜響應(yīng)，理論上僅受到鈮酸鋰晶體透明窗口的限制。其次，通過(guò)激光直寫能夠按需定制色散微區(qū)形狀（圖3a），從而直接在三維空間中顯示復(fù)雜的色散圖案（圖3b），為多維信息記錄、光學(xué)加密和多級(jí)防偽等提供新方案。SPNs引起的局部光調(diào)制使色散信號(hào)被嚴(yán)格限制在色散微區(qū)內(nèi)，而非在空間上發(fā)散。通過(guò)對(duì)色散微區(qū)成像即可直接提取色散信號(hào)，兼容透射和反射兩種工作模式（圖3c），并且色散信號(hào)與成像視角無(wú)關(guān)（圖3d）。相較于傳統(tǒng)精密光學(xué)色散元件，色散微區(qū)在全無(wú)機(jī)晶體基質(zhì)的保護(hù)下表現(xiàn)出極強(qiáng)的穩(wěn)定性，使得MOD元件能夠承受600 ℃高溫、強(qiáng)酸腐蝕、污染、機(jī)械損傷等各種極端環(huán)境，對(duì)震動(dòng)、沖擊等外部擾動(dòng)均不敏感（圖3e）。

圖3 鈮酸鋰光學(xué)色散微區(qū)優(yōu)勢(shì)特性

應(yīng)用突破：超寬帶片上微型光譜儀

本文提出的MOD策略在片上集成光譜儀和光譜成像方面展現(xiàn)出巨大潛力?？逃猩⑽^(qū)的鈮酸鋰窗口與能夠直接與CMOS圖像傳感器集成實(shí)現(xiàn)片上光譜探測(cè)，根據(jù)MOD元件的光譜響應(yīng)函數(shù)和入射光MOD光強(qiáng)分布，即可重構(gòu)出未知光源的光譜信息（圖4）。MOD光譜儀在390-1710 nm的超寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)單峰、雙峰、寬譜均展現(xiàn)出靈敏、穩(wěn)定的探測(cè)能力，其單色光重構(gòu)半峰全寬可達(dá)3.94 nm，雙峰重構(gòu)分辨率達(dá)到4 nm，綜合性能優(yōu)于商用集成光譜儀。通過(guò)激光直寫構(gòu)建色散微區(qū)陣列，還可以實(shí)現(xiàn)光譜成像功能。值得一提的是，色散微區(qū)的創(chuàng)建完全通過(guò)自組織材料修飾實(shí)現(xiàn)，不依賴EBL等復(fù)雜微納制造工藝，極大降低了應(yīng)用成本。鑒于MOD元件優(yōu)異的可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、可重復(fù)性和經(jīng)濟(jì)性，這種集成光譜探測(cè)系統(tǒng)有望大規(guī)模應(yīng)用于包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、食品安全和工業(yè)檢測(cè)等多種場(chǎng)景，尤其是在極端條件下消耗性任務(wù)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖4 基于MOD的片上微型光譜儀

總結(jié)與展望

本研究通過(guò)超快激光誘導(dǎo)亞波長(zhǎng)相變納米條紋在鈮酸鋰晶體內(nèi)構(gòu)建三維可控的色散微區(qū)，首次實(shí)現(xiàn)高折射率介電環(huán)境下微尺度光調(diào)制以及具有多自由度可控性的超寬帶光學(xué)色散。所提出的制造方法、色散機(jī)制和操控原理為增強(qiáng)透明介電材料中的光與物質(zhì)相互作用研究以及自由空間集成光子器件開(kāi)發(fā)提供了新的機(jī)遇，為推進(jìn)小型化光學(xué)色散元件廣泛應(yīng)用于下一代便攜式、可穿戴和模塊化光電系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

本文第一作者為浙江大學(xué)張博博士、王卓博士、劍橋大學(xué)Tom Albrow-Owen博士，通訊作者為浙江大學(xué)邱建榮教授、楊宗銀教授、張博博士、譚德志研究員和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授。劍橋大學(xué)Tawfique Hasan教授等也為本工作做出重要貢獻(xiàn)。