近日，南方科技大学机械与能源工程系徐少林副教授课题组报道了超快激光新型纳米光刻技术及其应用于高性能光学器件设计制造的研究成果。研究基于光束整形开发了新型大面积纳米光栅的超快激光高效制备技术，制备了大面积多样化的纳米光栅结构，并将其应用于光吸收、光分束等功能器件的设计与制造，展现出优异的光调制性能。相关成果以南方科技大学为唯一通讯单位发表于Optica及Advanced Optical Materials。
亚波长特征尺寸光栅广泛用于光学调制，例如分光、色散等。不同于现有的光栅制备技术，本研究开发了一种线形激光光刻技术用于高效制备大面积亚波长光栅。超快脉冲激光光斑被整形为数毫米长度、亚微米宽度的线形光，通过扫描脉冲分离烧蚀薄膜材料，数秒内即可快速制备厘米级一维光栅结构。对扫描路径、扫描速度等进行调控，可进一步获得丰富的一维、二维光栅结构，如类达曼光栅、类闪耀光栅、摩尔光栅、二维光栅等。我们展示了57纳米（约九分之一波长）线宽的光栅结构，以及单线长宽比超过45,500的大面积（0.6×1.5平方厘米）一维光栅，制备时间仅1.5秒。进一步，研究人员还将光栅叠加，增加动力装置，获得可动态调控的二维光栅。
图1. 亚波长纳米光栅制备方法与大面积样品展示
图2. 多种结构的亚波长纳米光栅及功能展示
上述研究工作以“Line-shaped laser lithography for efficient fabrication of large-area subwavelength nanogratings”为题发表于Optica（论文链接1），南方科技大学机械与能源工程系博士生徐康为论文第一作者，博士生黄凌羽为论文中实验的顺利开展做出了重要贡献，徐少林副教授为论文唯一通讯作者，南方科技大学为论文通讯单位。
对于工作于可见光和近红外波段的超表面，其亚波长结构的大面积高效制备面临极大的挑战。本研究利用了一种高效低成本的激光诱导纳米图案化技术制备了一种有趣的短程无序超光栅，实现了在可见到近红外波长范围内的宽带偏振不敏感吸收。激光诱导纳米光栅的短程无序主要归因于激光诱导的热力学不稳定性和激光诱导晶化现象，可以在激光纳米图案化过程中自发形成。其独特的无序性可以打破纳米光栅的单向特性，从而使得所设计的超光栅能够激发多种耦合的共振模式，有助于实现宽带偏振不敏感吸收。所设计和制备的超光栅在可见光到近红外波段 (400–1100 nm) 中，TM和TE模式下的平均吸收率分别达到96.3%和93.5%，且具有优异的入射角度容忍度（高达 60°）。这种低成本制备的超光栅在太阳能电池、传感和热辐射器等领域具有潜在的应用价值。
图3. 超快激光制备的大面积短程无序超光栅
图4. 短程无序超光栅的宽带偏振不敏感吸收性能展示
上述研究工作以“Laser constructing short-range disordered metagratings for visible near-infrared polarization-independent absorption”为题发表于Advanced Optical Materials（论文链接2），南方科技大学机械与能源工程系博士生袁丹丹和黄佳旭为论文共同第一作者，博士生李峻、韩慧莉，电子与电气工程系博士生蔡文锋参与论文工作，刘言军副教授为论文的修改提出了宝贵的意见，徐少林副教授及王敏助理教授为论文共同通讯作者，南方科技大学为论文通讯单位。
论文链接：
1. https://opg.optica.org/optica/abstract.cfm?doi=10.1364/OPTICA.472730
2. https://doi.org/10.1002/adom.202202585
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