固态光学晶体内部三维纳米加工实现波长厚度中空透镜：面向极端环境应用的突破性技术

本文报道了一种利用飞秒脉冲激光减性三维纳米加工技术（3D fs-laser subtractive nanolithography），在超硬钇铝石榴石（YAG）晶体内部制造纳米结构中空衍射透镜（NDHL）的创新方法。该技术实现了高达100 nm精度的内部结构控制，所制备的透镜具备衍射极限聚焦性能（NA=0.49），仿真与实验验证一致性超过95%，为极端环境（高温、辐射、化学腐蚀）下的光子器件集成提供了革命性的解决方案。

　　

亮点

设计原理与数值模拟

为了让衍射透镜在法向入射时于轴向距离 z = f 处产生焦点，透镜表面的波前相位分布可由双曲相位函数给出，这是我们设计的起点：

φ_hyp(x,y) = (2πn_bg/λ₀) (f - √(x2 + y2 + f2))

其中 n_bg 是背景介质的折射率，λ₀ 是设计波长，x 和 y 是衍射透镜的空间坐标。为实现该相位分布，中空YAG衍射透镜的结构需通过……

实验结果

基于前述NDHL设计方法，我们成功制备出嵌入晶体内部10 μm、直径为20 μm的0.49数值孔径（NA）中空衍射透镜，设计工作波长为0.8 μm（空气中）。我们同时展示了该纳米技术所带来的高保真聚焦特性。下文将讨论此类纳米加工的关键参数以及所制备嵌入式NDHL的光学表征结果。

结论

据我们所知，本研究首次提出了一种高保真度纳米加工技术，用于在固态光学激光晶体内部制造中空波长（λ）厚度透镜。该设计采用YAG晶体作为中空透镜的包层材料，实现了无缝集成的高抗性光学元件，这对极端环境下的光学传感应用具有重要意义。所报道的在YAG晶体内部纳米加工制备的纳米结构中空衍射透镜（NDHL）具有……