吉林大学电子科学与工程学院，吉林 长春 130012
飞秒激光直写光波导是实现三维光子集成芯片（PIC）的重要技术手段。PIC集成度的提升受弯曲波导曲率半径的限制。为了实现大曲率低损耗弯曲波导的飞秒激光直写，提出多次激光修饰增强波导芯层与包层折射率对比度的方法来优化芯层的横截面折射率分布。在20 mm曲率半径下，实现S型弯曲波导低至0.64 dB/cm的弯曲损耗。该方法在降低弯曲波导损耗方面拥有巨大潜力，对于提升PIC的集成度具有重要意义。
光学制造 光波导 飞秒激光直写 大曲率 弯曲损耗 截面控制 中国激光
2024, 51(16): 1602403
1 浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室，浙江 杭州 310027
2 浙江大学杭州国际科创中心，浙江 杭州 311215
3 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
针对双光子激光直写片上光子引线波导的纳米级对准需求，提出了基于导星数字匹配与纳米智能对准的方法，实现了高精度、高密度片上光子引线互联纳米结构3D直写加工。面向片上光子引线波导的背景与需求，设计了双光子直写光刻系统的光学系统结构，在硬件上设计了独特的导星，在算法上利用机器视觉的智能识别方法，精确定位了片上光子引线波导连接结构。所刻写的光子引线与硅片波导的平均偏差角度为0.19°，绝对位置平均对准精度为29 nm，标准差为17 nm。所提方案为实现高精度、高密度的光学片上互联提供了一种可行的方法，在芯片封装、多材料功能结构制备、复杂结构修饰等高精度加工领域有着重要的科学和应用意义。
光学设计 光刻 机器视觉 片上光子引线 波导加工 双光子激光直写
1 之江实验室，浙江 杭州 311121
2 浙江大学材料科学与工程学院，浙江 杭州 310058
超快激光直写技术可以高精度加工任意三维波导结构，从而实现新型拓扑模型以及集成化的拓扑光子器件。通过经典的拓扑结构（如一维二元复式晶格、非对角Aubry-André-Harper晶格、蜂窝晶格），阐述拓扑光学的基本原理和现象（如Thouless泵浦，手性边缘态、局域态与拓扑不变量之间的关系），介绍最新的拓扑光子学进展与应用（如高阶拓扑绝缘体、Floquet拓扑绝缘体、非厄米拓扑、非线性拓扑，以及量子拓扑保护），重点综述在超快激光直写平台下实现的拓扑现象与应用。
激光光学 光子拓扑绝缘体 超快激光直写 Floquet光子拓扑绝缘体 非厄米拓扑 非线性拓扑 光子芯片
1 之江实验室，浙江 杭州 311100
2 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
3 浙江大学材料科学与工程学院，浙江 杭州 310027
4 宁波大学信息科学与工程学院光+X交叉科学与技术研究院，浙江 宁波 315211
飞秒激光直写技术因其精度高、效率高、脉冲持续时间短、峰值功率高且能在多种材料中加工的优点，已被广泛应用于制备各种集成光电器件、光学传感器件。近几年，飞秒激光直写光波导放大器与激光器已经被越来越多的人关注。本文主要介绍飞秒激光直写光波导放大器和激光器的最新研究进展，包括：Type-I型、Type-II型、脊型和可变截面光波导放大器和激光器的波导传输和插入损耗、光放大增益特性，以及波导激光输出特性。最后，对该技术及其相关研究进展进行总结、分析、归纳，并展望该领域未来研究、应用和发展方向。
飞秒激光直写 光波导 波导放大器 波导激光器 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0314003
吉林大学电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点实验室，吉林 长春 130012
超级电容器是良好的储能器件，具有功率密度高、使用寿命长、充电速度快等优点。激光诱导石墨烯（LIG）是一种常见的双电层电容器电极材料，但LIG双电层电容器通常表现出较低的电化学性能，而活性物质的掺入会提高超级电容器性能。针对如何控制活性物质的掺入问题，提出一种基于激光直写表面滴涂硝酸铁［Fe（NO3）3］的聚酰亚胺（PI）薄膜以制备LIG-Fe3O4复合物电极的微型超级电容器的方法。激光处理过的区域会同时发生PI薄膜烧蚀与Fe（NO3）3分解，产生Fe3O4与LIG复合的LIG-Fe3O4复合物电极。所制备的LIG-Fe3O4复合物微型超级电容器性能与LIG微型超级电容器相比提高了7.58倍。所提方法为制备高性能LIG微型超级电容器提供了一条新途径。
储能器件 激光直写 激光诱导石墨烯 微型超级电容器 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0314005
天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457
利用纳秒级光纤激光器直接书写的方式实现了304不锈钢板表面超高效虹彩结构的构建，其速度可达到5 mm2/s以上。通过改变激光能量参数，得到了激光诱导金属表面虹彩结构特定形成的工艺范围。实验分析得出，改变参数，使得每次脉冲形成的熔池边界间距满足布拉格条件，可使这种微观结构出现虹彩现象。同时，利用特定工艺直接构建了一种具有光栅衍射虹彩、薄膜干涉结构色及固有色的复合结构，这种结构可在不同的角度下实现三种颜色交替主导的色彩表现，这也为金属表面的个性化着色提供了新方案。
激光技术 激光光学 表面结构 激光直接书写 结构色 中国激光
2024, 51(12): 1202203
1 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室，吉林 长春 130012
2 武汉工程大学光学信息与模式识别湖北省重点实验室，湖北 武汉 430205
得益于飞秒激光直写技术的穿透式真三维改性加工能力，多种介质内任意三维路径及截面形状的光波导得以实现并得到了重要应用。本文围绕飞秒激光直写光波导的机理及基本类型，综述了三维光波导器件在光通信、集成量子光学、拓扑光子学、天文光子学以及光学传感等领域的应用。从三维光子芯片的应用需求入手，总结了飞秒激光直写技术在低损耗、任意截面、大纵深直写和可重构三维波导制备中面临的挑战，并展望了飞秒激光直写三维光波导的未来发展趋势。
集成光学 光子集成芯片 飞秒激光直写 三维光波导
吉林大学电子科学与工程学院，吉林 长春 130012
具有刺激响应形变功能的微结构能够通过外界刺激信号获取能量，进而发生机械形变，在自动化技术、微小机器人技术、微流控芯片等领域具有巨大的前沿应用潜力。然而，现有的智能微结构的研制很大程度上依赖于智能材料及其成型技术，不仅受限于为数不多的材料体系，而且局限在单一的刺激响应形变。基于此，提出利用飞秒激光双光子增材制造技术在形状记忆薄膜上加工蛋白质微结构阵列的新方法，实现了微结构阵列尺寸和周期的双重响应形变。微结构阵列在热处理下被机械拉伸定性，实现了结构周期的调控，该过程可在热刺激下恢复；同时，牛血清白蛋白微结构可以在不同pH值的条件下表现为可逆的溶胀和收缩形变。智能材料与形状记忆基底相结合可以赋予微结构阵列更加复杂可控的双重响应形变。本文制备了微结构阵列和微透镜阵列，展示了双重响应下的结构变化和功能调谐，为智能化微结构阵列在微流控系统中的应用作出了有益的探索。
飞秒激光直写 微透镜 蛋白质 微纳加工 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0114010
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310030, China
2 School of Information and Electrical Engineering, Hangzhou City University, Hangzhou 310015, China
Flexible and wearable humidity sensors play a vital role in daily point-of-care diagnosis and noncontact human-machine interactions. However, achieving a facile and high-speed fabrication approach to realizing flexible humidity sensors remains a challenge. In this work, a wearable capacitive-type Ga2O3/liquid metal-based humidity sensor is demonstrated by a one-step laser direct writing technique. Owing to the photothermal effect of laser, the Ga2O3-wrapped liquid metal particles can be selectively sintered and converted from insulative to conductive traces with a resistivity of 0.19 Ω·cm, while the untreated regions serve as active sensing layers in response to moisture changes. Under 95% relative humidity, the humidity sensor displays a highly stable performance along with rapid response and recover time. Utilizing these superior properties, the Ga2O3/liquid metal-based humidity sensor is able to monitor human respiration rate, as well as skin moisture of the palm under different physiological states for healthcare monitoring.
laser direct writing liquid metal humidity sensors flexible electronics wearable sensors Opto-Electronic Advances
2023, 6(7): 220172
