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常規光學器件通過其構成材料的厚度或折射率來實現波前控制。英國南安普敦大學光電研究中心的一個研究小組發現，在石英玻璃中進行激光寫入可以推動一種非常有前途的新型光學器件，當光波通過不同的參數轉換時，可以利用幾何相位（GP）偏移，例如偏振。

“自發現激光以來，研究人員已經對強激光輻射與玻璃的相互作用進行了許多研究，而玻璃是現代光學技術中的關鍵材料，”該小組成員Peter G. Kazansky說表示：“玻璃的應用范圍很廣，從用于激光焊接的高功率激光器到用于光通信的光波導。新的激光寫入技術也可能是平面光盤中大容量數據存儲的突破。”

偏光元件制作

偏振GP光學元件的制造需要一種稱為光學材料的雙折射圖案化的方法。南安普敦團隊表示，盡管這些元件可以通過液晶的光致對準來制造，但其應用受到紫外線（UV）和紅外線區域的高吸收以及低化學和熱耐久性的限制。另一種方法是在石英玻璃上壓印自組裝的納米光柵結構。然而，由于納米結構的光散射而造成的光學損失是一個重大缺陷。

因此，該團隊嘗試了一種新型的飛秒激光誘導的雙折射刻蝕。研究人員利用激光在石英玻璃中沿垂直于偏振方向拉長的隨機分布納米孔。由于各向異性納米孔與納米光柵結構根本不同，代表了一種新型材料。

Kazansky表示：“在超快激光直接寫入過程中，玻璃中光束的緊密聚焦會產生高強度，從而導致多光子吸收，然后發生雪崩電離和材料改性。使用飛秒脈沖的一個關鍵優勢是，此類脈沖可以快速而精確地沉積能量，從而導致僅限于焦距處的材料改變。”

盡管尚不清楚納米孔形成的確切機制，但Kazansky表示：“缺陷形成，碰撞電離和受輻照區域的高溫可能是造成這種情況的原因。”

未來市場機遇

研究人員表示，他們的飛秒激光在石英玻璃中用于雙折射構圖可提供超低散射損耗，在可見光范圍內具有99％的透射率，在低至330 nm的紫外線光譜范圍內具有90％以上的透射率。

Kazansky認為，低損耗對于實現玻璃中的高容量偏振，多路復用5D光學存儲器至關重要。這項技術已被許可給一家私人公司，并且與微軟的團隊合作證明了玻璃中5D數據存儲的概念。

對于技術的大規模商業化，當前的主要挑戰是提高寫入速度以及超快激光器的高成本。Kazansky認為，要應對這些挑戰，大約需要三到五年。