双折射全玻璃金属表面可改变波形板技术
发布时间：2023-10-18 10:39:33 阅读数： 28
劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员调整了他们新颖的元表面工艺（在光学器件表面形成一个薄层），创造出一种具有双折射或双重折射特性的全玻璃元表面。这一成果将改变用于国家点火装置（NIF）等高功率激光系统的波板技术。
"据我们所知，这是首次展示一种蚀刻技术，可以获得产生双折射的倾斜柱状纳米特征，"论文第一作者、LLNL 员工科学家内森-雷（Nathan Ray）说。
双折射是一种光的传播速度随光的偏振方向不同而不同的现象，是折射率的光学各向异性（在不同方向上显示不同特性）的结果。因此，当光线进入双折射材料时，如果它在两个主偏振面上都有分量，光的偏振状态就会发生变化，从线性偏振转变为圆形偏振。
在激光系统中，这种特性可用于控制激光能量的衰减，而无需通过在两个偏振器之间夹一块波板来引入吸收。双折射是高功率激光系统的一项重要特性，但具有固有双折射的材料并不总是足够耐用，无法承受高流量（单位面积能量）。传统的双折射材料主要用于偏振显微镜和光学隔离器等低能量应用。
"虽然双折射材料波板在减少像 NIF 这样的高功率激光系统光学系统内部的激光诱导损伤方面可以发挥关键作用，但要找到这种耐用且可扩展的技术却是一项重大挑战，"LLNL 首席研究员、员工科学家 Eyal Feigenbaum 说。"我们开发的方法可按尺寸进行扩展，并能在熔融石英玻璃上蚀刻出纳米级特征，从而提高耐用性。我们正在改造一层没有双折射的玻璃，使其具有双折射性。
内森-雷（Nathan Ray）和黄阮（Hoang Nguyen）使用这台蚀刻机在全玻璃超表面上制作出倾斜的柱子，使材料具有双折射特性。照片由 Jason Laurea 拍摄。
在一个实验室指导研发（LDRD）项目中，研究人员开始使用一种新型的元表面工艺，这种工艺已被证明能创造出减少反射的光学特征，从而制造出具有双折射特性的全玻璃元表面。
元表面是一种光学设计方法，通过精心改变材料的表面，形成一个超薄层，其特性不同于材料主体的特性。这是通过引入小于光波长的特征来实现的。费根鲍姆的团队一直在开发一种可扩展的工艺，用于在熔融石英玻璃上雕刻元表面，这是今年结束的一系列 LDRD 项目的一部分。
研究团队的基本四步工艺--超薄金属膜沉积、脱墨、蚀刻和去除掩膜--可获得全玻璃的元表面。该工艺虽然相对简单，但却提供了对元表面特征的大量可调性和控制。
为了产生双折射，研究小组以 50° 的角度蚀刻倾斜的柱子，以打破光线进入材料时的对称性。这样，不同传播方向的光线就能观察到不同的特性。在以前的项目中，光柱是垂直于表面蚀刻的。
(a) 蚀刻掩膜（俯视图）和 (b) 蚀刻后的带角度特征的元表面。劳伦斯-利弗莫尔国家实验室提供。
"雷说："为了达到有效波板所需的双折射，我们需要倾斜元表面纳米柱，使它们相对于表面有很大的角度。"模型显示，获得比实验证明更大的双折射是可能的。我们已经确定了几种方法，但需要反复试验。当你改变一个工艺参数时，在你尝试之前，你不知道它会对其他工艺产生什么影响。
这些方法包括加长支柱、优化支柱密度和倾斜角度，以及减少支柱之间的间距。该团队目前正在努力增加双折射，并开发其他方法。
在测试双折射元表面的过程中，研究人员发现，他们还使表面各向异性，以获得更多的表面特性。元表面的角度特征可以阻止或允许流体运动，这取决于相对于纳米柱倾斜方向的预定流动方向。雷说，这可以开辟新的应用空间。
这项研究发表在《先进科学》（www.doi.org/10.1002/advs.202370162）上。
