北京理工大学：超表面高精制造与动态调控新进展

微纳 光子器件对于推动光子学科的变革性发展具有重大意义。然而，传统微纳光子器件一经制造，其结构及特性随之固定，导致器件功能固定、调控维度受限。动态可调微纳光子器件已成为光学领域发展的最前沿。基于相变材料(PCM)的微纳光子器件凭借其独特的非易失可逆物相切换特性，为可重构与动态光子学领域提供了全新实现途径。然而，微纳光子器件的功能实现依赖于其微纳结构单元，而微纳结构形态的可重构性难度直接限制了器件的调控能力。

针对这一挑战，北京理工大学研究团队提出了一种基于相变材料不同物相构成的二维体素单元超表面构型。直接以不同相变程度的微纳物相区域作为谐振单元，嵌于材料内部，形成二维体素单元。可通过调控这些微纳物相单元的形态、大小、排列以及相变程度，实现动态可调谐微纳光子器件的一体化加工与动态调控。相比传统依赖复杂多层异质材料的微纳光子器件，可大幅简化制造工艺，突破了微纳结构单元难以重构的瓶颈，可实现超构原子级的调制，提高了器件的灵活性与可控性，为高性能动态光子器件的开发提供了新的技术路径。

相变材料（PCM）微纳光子器件的应用核心挑战在于其精密制造与精准调控。超快激光作为一种高度可控的能量场(电磁场)，其形状和性质精准协同可控，甚至能够作用至材料电子层面，在极短时间内强力重塑材料的特性、结构和功能。这一能力不仅赋予超快激光成为“无坚不摧”的高质量加工“光刀”；同时，其多维参量可控、无接触、精确限域调制及超快响应等独特优势，使其在微纳光子、光电及光机械器件的动态响应调控中，成为“变化自如”的多功能调控“光钥”。为相变材料物相单元的一体化精密加工与精准调控提供了可能。然而，其核心挑战在于超快超强光束的精细化操控，而传统激光直写技术受限于位移台精度与机械惯性，难以实现聚焦光斑的精细操控。

研究团队提出了基于相位调制的高精度飞秒光场三维偏转新方法，在《Advanced Science》期刊上发表了题为《Three-Dimensional Femtosecond Laser Beam Deflection for High-Precision Fabrication and Modulation of Individual Voxelated PCM Meta-Atoms》的研究文章。通过动态像素化调控闪耀光栅与菲涅尔相位，实现了超快光场在焦平面(x-y)与光轴方向(z)的无惯性偏转与脉冲多参量协同控制，光场偏转精度优于10nm，实现了任意图案化“体素”微纳物相单元的一致性加工，特征尺寸精度达200nm、图案化结构重叠率(一致性)达96%；通过这一技术，可以对单个体素单元进行晶化/非晶单元写入与擦除的精准调控，突破了微纳单元形态不可重构的瓶颈，实现了“亚超构原子级”调制精度。

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图1 基于飞秒激光相位调控的高精度像素化光束偏转技术用于PCM-only超表面的加工与调制（a）基于飞秒激光相位调控的高精度像素化光束偏转加工-调制方法示意图。（b）PCM-Only Metasurface两类加工方式示意图。（c）采用图（b）中两类加工方式加工的GST微纳结构光学显微图，左图对应‘Type Ⅰ’，右图对应‘Type Ⅱ’。上方插图左侧为加工图案的示意图，右侧为放大的光学显微图。比例尺为5μm。（d）PCM-Only Metasurface 调制示意图。（e）PCM-Only Metasurface 调制的光学显微图。

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图2 基于飞秒激光相位调控的高精度像素化光束偏转示意图与光学显微图。（a）基于飞秒激光相位调控的高精度像素化光束偏转加工原理示意图。（b）多种超表面结构单元加工展示的光学显微图。（c-e）‘Type Ⅰ’方式加工的图案。c-d为光学显微图，e为拉曼成像图。（f-h）‘Type Ⅱ’方式加工的图案。f-g为光学显微图，h为拉曼成像图。（i）BIT 复杂图案化字母共聚焦显微镜图像与重叠对比图像。（j）卡通龙形象晶化结构共聚焦图案。比例尺 5μm。

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图3 PCM-only 超表面动态调节。（a）双天线PCM-only 超表面调制示意图。其中结构周期为2μm，GST膜厚50nm，基底为熔融石英。（b-d）双天线PCM-only 超表面加工与调制光学显微图。比例尺5μm。

这项工作提出的超表面构型与加工调制技术不仅提升了超表面制造与动态调控的精度和灵活性，而且为动态可重构光子设备的设计提供了新的解决方案，具有广泛的应用前景。未来，这项技术可以在光学成像、信息存储、可调透镜、空间光调制器、动态全息图以及其他需要光学调制的领域中得到广泛应用。该论文的通讯作者为北京理工大学姜澜院士，第一作者为北京理工大学激光微纳制造研究所韩伟娜研究员。

文章链接： https://doi.org/10.1002/advs.202413316