作者： 时间：2024-01-30
通过随空间变化的各向异性（space-variant anisotropy）进行偏振和几何相位(Geometric Phase, GP)2个方面的整形引起了大众对制造平面光学元件和产生矢量光束的兴趣。
在各向异性图案化（anisotropy patterning）方法中，通过飞秒激光写入在石英玻璃中压印自组装纳米光栅结构有望用于制造具有高热稳定性、化学稳定性、以及高光学损伤阈值的空变双折射光学器件（space-variant birefringent optics）。 然而缺点是纳米光栅结构会产生光的散射，从而造成光学损失，这限制了其应用。
在这里，简述了一种新型的超快激光诱导石英玻璃改性，由随机分布的纳米孔组成，这些各向异性纳米孔沿垂直于偏振的方向伸长，提供了双折射结构（即径向偏振转换片/S波片的设计原理）。而且，在可见光和近红外波段的透射率高达99%，在紫外波段（330nm以下）的透射率大于90%。在实验过程中，各向异性纳米孔二氧化硅结构、飞秒激光诱导的纳米孔与传统的纳米孔二氧化硅结构有着区别。因此，这篇文章讲述了一种由多光子和雪崩缺陷电离介导的间隙氧生成纳米孔机制(即S波片内部结构)，展现了超低损耗几何相位光学元件，包括几何相位棱镜和透镜，以及硅玻璃中的矢量光束转换器，径向偏振片。尤其是二氧化硅玻璃，由于其宽广的透射窗口、高化学和热耐久性以及高损伤阈值，成为一种理想的光学材料。
双折射效应实验原理结构：
图1：激光写入石英玻璃内部的双折射结构
双折射的慢轴分布是通过偏振器（Polarizer）、光电调制器（EOM）和四分之一波片（QWP）的组合改变写入光束的偏振方位角来控制的，写入光束的偏振方位角由施加在EOM上的电压控制，聚焦镜聚焦光束打到石英玻璃上，进行实验和分析。
如上图示，a图便是实验结构图示，飞秒激光直接打在石英玻璃上，通过偏振器、光电调制器（EOM）和四分之一波片（QWP）以及聚焦镜来进行调整和控制。
b图和 c图 分别是高损耗（II型）和低损耗（X型）双折射结构的双折射和透射图像，b中的色标表示双折射的慢轴，彩色小图标表示相位延迟。
d图中，左图是高损耗，右图是低损耗。可以清晰的看到两个双折射元件的透明程度区别。很明显，改性后的低损耗S波片(涡旋波片)具有更好的透过率。
e图是透射光谱图，分为了大图和一个小插图。大图中的红色虚线表示原始石英玻璃的高损耗的投射图谱，而蓝色实线则表示低损耗改性后的双折射结构的透射光谱图。 垂直虚线表示330 nm的波长，在该波长下经过修改的低损耗透射率为90%。
小插图显示了低损耗改性（蓝色实线）和原始石英玻璃（绿色虚线）的0~3000nm透射光谱。
结合e图来看，对于高损耗镜片（红色虚线），近红外区的透射率约为90%，但在可见光区急剧下降。另一方面，对于低损耗改性（蓝色实线），在可见光和近红外光谱区(400-2400nm)的透射率高达99%，在低至330nm的紫外光谱区的透射率高于90%，这一差异表明，低损耗双折射（X型绿色虚线）的形成机制与传统机制是有区别的。
在不同脉冲个数（Np）下双折射照射的微观结构：
图2：不同脉冲数下双折射照射的微观结构图示
为了了解低损耗双折射的起源及其随脉冲个数（Np）的变化，使用不同的脉冲，观察其图像和变化，如上图中的a图，并将其与双折射和透射图像（图 b、c）进行比较得出，通过不同脉冲数（Np）的激光照射（300fs，0.7μJ），随着脉冲数的增加，纳米孔的密度增大，形状垂直于偏振方向并拉长（Np=120-150）。
图b中的红色E表示诱导双折射的慢轴与水平方向平行，通过图b看出，当Np=50时，产生的双折射具有约1nm的小延迟，慢轴方向与写入光束的偏振方向垂直。在透射图像中，脉冲数Np≥200时可见图像的变化，当Np=400时，可清晰的见到图像在向慢轴方向拉长。
低损耗和双折射的起源以及各向异性纳米孔的形成机制：
图3：模拟低损耗双折射整形材料的光学特性
a图中表示石英玻璃中分布着扁平椭球的纳米孔（nanopores），其中k表示双折射的光传播方向。
b图中看出，双折射与纳米孔的体积分数成正比，斜率随纳米孔的长宽比增加而增加。
c图中，当纳米孔直径大于40nm时，透射率在可见光区域呈现下降的趋势，因此纳米孔越小越好。纳米孔直径越大，透过率越低。根据瑞利散射模拟的带有不同直径纳米孔的石英玻璃的透射光谱，模拟中纳米孔的体积分数为f=0.005，形成纳米孔的体积厚度为400μm，与图 1的c图中双折射结构的厚度相同。
结合b图和c图可以看出，当dy/dx(长轴和短轴比)>1时，双折射率（nyy-nxx）始终为正，这意味着慢轴与纳米孔的长轴平行。
偏振控制扁平椭球纳米孔形成的原理(即S波片内部结构)至少有两个：
（1）随机分布纳米孔的形成；
（2）纳米孔垂直于光束偏振的延伸。纳米孔的形成表明在激光照射下二氧化硅内部产生了氧分子，在短脉冲持续时间（tp<220fs）下无法观察到低损耗双折射的变形，这表明纳米孔的形成需要超过临界值的脉冲持续时间。
实验用到的仪器设备：
用Olympus BX51光学显微镜进行压印结构的双折射测量，该光学显微镜配备有工作在546nm定量双折射测量系统(Abrio;Cri.Inc.)，再通过从显微镜中移除滤色器和偏振光学器件来获得光学透射图像。用SID4 PHASICS波前传感器照相机装备在同一台显微镜上，用Cary 500 UV–VIS–NIR光谱仪测量透射光谱。为了观察纳米结构，在改性区域研磨和抛光激光加工的玻璃，并在24小时内用1mol/L KOH溶液蚀刻暴露的表面，用扫描电子显微镜(SEM，Zeiss EVO 50)对蚀刻表面进行成像。
参考文献：Ultralow-loss geometric phase and polarization shaping by ultrafast laser writing in silica glass, Sakakura et al. Light: Science & Applications ( 2020) 9:15
