12月17日，华中科技大学武汉光电国家研究中心张静宇研究员带领团队在《先进光学材料》(Advanced Optical Materials)发表最新研究进展“Near-Field Mediated 40 nm In-Volume Glass Fabrication by Femtosecond Laser”。

纳米制造是许多革命性纳米级应用的基石，如3D打印、纳米机械、纳米光子学、芯片、数据存储等。目前的纳米制造方法主要是基于带电粒子的光刻技术，这要求聚焦粒子与被加工材料的直接接触，因此加工局限于材料表面。而一些非接触技术，如尖端增强纳米光刻、近场介导的表面纳米光刻以及激光辅助蚀刻，仍然要求存在一个“气体（或真空）-介质”的界面，限制了这些技术在体材料中的应用。由于缺乏一种合适的方法来实现体材料内部的三维纳米制造，纳米尺度的三维体结构及相关应用很少被研究。被广泛运用的飞秒激光加工技术具有减少热影响区域以及高精度的优势，但体材料内部加工的精度仍停留在微米量级。

张静宇课题组针对这一技术问题通过聚焦偏振调控的飞秒脉冲激光在石英玻璃材料内部诱导出一种纳米狭缝结构，这种结构的宽度能够达到40nm甚至20nm，远小于激光聚焦的衍射极限，其形成的原因为矢量光场同结构相互作用的近场增强效应。该团队还实现了体材料内部的三维纳米制造以及大容量五维度光存储的应用展示。相关结果发表在Advanced Optical Materials上。

大多数情况下，经物镜聚焦的线性偏振飞秒激光脉冲可以在石英玻璃内部产生连续的双折射结构，在这项工作中，他们在研究飞秒激光近阈值加工时发现，生成的结构呈现与激光偏振相关的周期性变化，并且在激光偏振方向与扫描方向垂直时形成了线宽为40nm的单纳米狭缝。他们认为，在多个脉冲聚焦至材料内部形成单纳米狭缝的整个过程中，初始的脉冲会在材料内部形成百纳米大小的纳米气泡，由于焦点处产生的热效应，材料的粘度降低，在接下来的脉冲作用下，纳米气泡会逐渐向上移动，同时，由于近场增强效应的作用，纳米气泡会沿着偏振方向被拉长。这样，在多个脉冲的积累下，纳米气泡逐渐上升并且被拉长、变窄，逐步向具有高纵横比的单纳米狭缝演变。经测算，狭缝中的材料与多纳米光栅中的结构类似，为填充的纳米多孔玻璃结构。单纳米狭缝的形成机理可以进一步向多周期纳米光栅的形成机理推广。

在线间距实验中发现了实际加工得到的线间距与预设扫描间距的失配现象，以及预设间距在低于150nm时，原有单纳米狭缝会被重复加工，从而导致后续单纳米狭缝难以加工的现象，这些现象更加证实了单纳米狭缝的形成是由于近场增强效应导致的光场重新分布。另外，在更高数值孔径（1.3NA）的情况下发现了更加有趣的现象，在某些偏振的飞秒激光扫描时发现了单纳米光栅周期性地向扫描中心倾斜弯曲以及分叉的现象，这表明了近场增强效应以及聚焦光斑的初始分布都会影响光场的重新分布，从而对单纳米狭缝的生长方向起到了决定性作用。利用单纳米狭缝的偏振极化控制特性，他们分别实现了体材料内部的三维纳米制造以及大容量五维度光存储的应用展示。他们认为，这种体材料三维纳米制造的方法在纳米流体、三维超结构、纳米光子学、纳米力学等方面也具有非常大的应用潜力。

该工作得到国家自然科学基金创新研究小组项目(Grant Nos. 61821003)、武汉光电国家研究中心创新基金资助项目和华中科技大学学术前沿青年团队项目的基金资助。博士生颜志为第一作者，张静宇研究员担任通信作者。其它合作者还包括博士生高骥超以及英国南安普顿大学Martynas Beresna博士。

FIG.1（a）40nm单纳米狭缝扫描电子显微图像；（b）FDTD仿真结果；（c）四层纳米图案的慢轴分布；(d),(e)对应c图中的第三层与第四层的扫描电子显微图像；(f),(g) 不同尺寸棱锥台结构在不同成像平面上的示意图及相应的慢轴分布图像。