三維激光直寫一誕生就被用于研究光與物質(zhì)的相互作用，迄今為止，發(fā)現(xiàn)了眾多基于飛秒激光與物質(zhì)非線性相互作用的新現(xiàn)象，其形式之多樣，內(nèi)容之豐富，使人目不暇接；其現(xiàn)象之神奇，結(jié)構(gòu)之精細，令人瞠目結(jié)舌。

三維激光直寫技術(shù)-前世

20世紀末日本雖然由于泡沫經(jīng)濟陷入了經(jīng)濟停滯甚至衰退的惡性循環(huán)，但是在科學技術(shù)領域還是有很多創(chuàng)造性的舉措，這為他們進入21世紀后取得諾貝爾獎級的研究成果起到了重要作用，其中包括當時日本科技廳現(xiàn)在日本文部科學省科學技術(shù)振興機構(gòu)推進實施的ERATO項目（創(chuàng)造科學推進事業(yè)）。

ERATO項目是得到美國國家基金會等高度評價的一種舉措。每年日本政府在日本乃至全世界選擇4-5位年富力強的日本或日本籍在外的科學家，由他們擔任項目的首席科學家，給予20億日元的研究經(jīng)費。然后在全世界范圍內(nèi)招募人才，一個項目一般會由三個相互支撐的研究小組構(gòu)成，每個小組4-5位研究員，開展圍繞某個特定專 題的開拓性研究，一般5年后解散。

從現(xiàn)在來看，ERATO項目譬如鐵基超導發(fā)明人東京工業(yè)大學細野秀雄教授領導的透明電子項目等誕生了使水泥變成超導體等極具創(chuàng)新性的重要研究成果。飛秒激光直寫光波導技術(shù)可以說是萌芽于大阪大學增原宏教授領導的ERATO極微化學項目，而在京都大學平尾一之教授領導的ERATO誘導結(jié)構(gòu)項目得到了開拓性發(fā)展的一項成果。

增原宏教授領導的團隊主要開展利用光進行局域的化學反應控制的研究。1994年在該項目任課題組長的三澤弘明博士（現(xiàn)任北海道大學教授）偶然在實驗中發(fā)現(xiàn)將皮秒激光通過顯微物鏡聚焦到載玻片內(nèi)部，在玻璃內(nèi)部焦點處形成一個微納尺度的亮點（折射率變化），他考慮可以通過這個現(xiàn)象實現(xiàn)玻璃中的永 久性的三維超密度光存儲。他和日本中 央玻璃公司合作申請了專 利，并在1995年日本化學學會期刊上發(fā)表了純?nèi)照Z寫的利用這個現(xiàn)象進行三維光存儲的的論文。利用飛秒激光進行光存儲方面，哈佛大學Mazur教授的研究比較著名，但是這方面的工作應該是在三澤博士的工作之后，并且晚于更重要的京都大學平尾一之教授領導的飛秒激光直寫光波導的工作。

1994年9月成立的平尾誘導構(gòu)造項目目標是通過外場調(diào)控具有熱力學亞穩(wěn)態(tài)特性的玻璃的微結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)新功能、復合功能和高性能。當時，美國的相干公司和光譜物理公司已經(jīng)能提供性能比較穩(wěn)定的鈦寶石飛秒激光器系統(tǒng)，但價格昂貴，當時一套飛秒激光價值一億日元。由于飛秒激光器具有超快超 強的特點，作為一種在實驗室能夠?qū)崿F(xiàn)的極端的物理條件，飛秒激光被引入項目作為一種微納結(jié)構(gòu)操控的工具。

我于1995年4月作為研究員加入平尾誘導結(jié)構(gòu)項目，剛開始選擇了比較偏門的光激勵和長余輝發(fā)光材料研究，后來為飛秒激光誘導的神奇現(xiàn)象所吸引，加入到飛秒激光誘導材料微納結(jié)構(gòu)及其動力學的研究。飛秒激光直寫光波導技術(shù)可以說是平尾誘導構(gòu)造項目Z有代表性的工作。

平尾項目中當時來自日本中 央玻璃的三浦清貴研究員曾在增原項目擔任合作研究員，他非常了解三澤博士的工作，他關注飛秒激光在玻璃內(nèi)部誘導的結(jié)構(gòu)。當時他在項目討論會上創(chuàng)造性地提出了是否可用這個現(xiàn)象實現(xiàn)三維集成光路，但幾乎沒有人認為他的想法能夠?qū)崿F(xiàn)。因為當時一般接受的理論是飛秒激光聚焦照射到透明材料內(nèi)部時，通過多光子吸收產(chǎn)生大量自由電子形成等離子體，等離子體膨脹導致局域的高溫高壓，Z 終通過微爆炸形成空洞或折射率小于周邊的結(jié)構(gòu)，也就是說中心的折射率一般小于邊緣的折射率。而光波導結(jié)構(gòu)需要中心的折射率大于邊緣的折射率，這樣才能使得光陷在誘導結(jié)構(gòu)中通過全反射進行傳播。

三維激光直寫應用-今生

三維激光直寫光波導技術(shù)現(xiàn)在已用于無源波導、分束器、耦合器、電光調(diào)制器、倍頻光波導、光波導型放大器、光波導激光器等器件的構(gòu)建，近年用于光量子芯片的構(gòu)建已成為一個國際性的熱點。材料也不再局限于玻璃，已拓展至晶體、高分子以及透明陶瓷等材料。

三維激光直寫寫光波導技術(shù)的目標是實現(xiàn)任意形狀的和圖案化的兼具所設計的折射率分布和低損耗的光波導。除傳統(tǒng)的飛秒激光功率、掃描速度、掃描方式等條件控制外，近年開展了利用柱形棱鏡、狹縫等光束整形技術(shù)實現(xiàn)橫截面接近圓形的光波導的探討。另外通過空間光調(diào)制器實現(xiàn)并行直寫以提高直寫光波導的效率。在材料方面設計容易產(chǎn)生大的折射率變化的材料體系并在飛秒激光照射時同時誘導其它結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，通過基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同效應實現(xiàn)新功能、復合功能和高性能。

未來，基于飛秒激光時空整形技術(shù)的低損耗光波導直寫將成為必然趨勢。飛秒激光的特點決定了與其它激光和離子束等相比，其具有更多可供選擇的維度，如脈寬、偏振態(tài)、相位、時空啁啾狀態(tài)、脈沖前傾等，其決定了波導結(jié)構(gòu)形態(tài)和功能的無限可能性，已有產(chǎn)品如巧妙利用光在界面反射的飛秒激光直寫直角拐彎型波導列陣應用于光通信系統(tǒng)。隨著飛秒激光價格的進一步降低，飛秒激光應用將越來越廣泛，不斷會有新的飛秒激光直寫光波導關聯(lián)產(chǎn)品投放市場。