逆设计自由型近红外偏振分束器的双光子激光直写

——— ||| 导读 ||| ———

2019年8月23日，Heming Wei等人在ADVANCED OPTICAL MATERIALS上发表了一篇关于用激光直写制作逆设计自由型近红外偏振分束器的文章。

—— ||| 背景介绍 ||| ——

最近，使用双光子聚合激光直写进行3D打印开辟了制造近红外复杂3D光学组件的可能性，例如微透镜、微环谐振器、回音壁模式环形结构以及相关的波导和支撑结构，所有这些都可以以100 nm或更高的面内分辨率制造。尽管当前的2PP分辨率仍比最佳传统光刻方法（≈10nm）大一个数量级，但2PP直接激光写入可实现真正的3D打印。事实证明，这种基于2PP的系统可广泛用于制造光子学和生物医学的高质量微结构。

—— ||| 创新与结论 ||| ——

本文首次证明了基于双光子激光直写的3D打印可以用于制造近红外范围内的自由形式逆设计PBS（polarization beamsplitters）以控制平行于基板。PBS充当元光栅可以将平行和垂直偏振分别分为左和右第一衍射级。第一步，通过逆设计计算方法寻找一种薄的，有效的并且能够宽带操作的设备结构，设计了一个自由形状的薄元光栅，将具有不同偏振度的正入射光分成不同的衍射阶数，一个朝左一阶，一个朝右一阶。然后使用2PP对设备进行3D打印，该2PP的空间分辨率为100 nm，可以缩小设备的尺寸，以便在近红外下进行宽带操作。本文分别在1.3和1.55 µm的波长下实验验证该装置的性能。

—— ||| 图文一览||| ——

公式一

小结：该器件及其功能由材料参数和场分布描述为空间和时间的函数，遵循麦克斯韦波动方程为了找到近似解，将麦斯威尔方程转化为一个优化问题：给定的固定边界条件E_BC和ε_BC，以及内部介电常数ε_INT的限制条件，找到满足麦斯威尔方程||∇ × ∇ × E − εω2E||的最大误差的内场E_int和介电常数ε_int。存在不同的方法来寻找局部最优解，广义地称为逆设计方法。本文采用的是固定一个变量然后优化另外一个变量，多次迭代获得介电常数连续变化的结构，然后用二值化的方法得到由空气(ε = 1.0)和聚合物(ε = ≈2.3)两种材料组成的结构。

图一 逆设计算法获得的自由空间PBS

（a）功能示意图

（b）反向设计的分束器装置，黑色对应材料（假设ε=2.3），白色对应空气（ε=1.0）。红方块代表结构的一个周期。

小结：结构的功能是将两个偏振方向垂直、相同方向入射的光经分束器后沿不同方向射出，可以通过改变光栅的阶数来改变偏振度。规定平行偏振应向左弯曲+θ°、垂直偏振应向右弯曲-θ°，选择在传播方向上器件厚度等于2λ，使得通过空气的光路（n=1.0）和通过材料的光路（n=1.5）的相位差为2π。基于这些条件和优化约束1≤ε≤2.3，逆设计算法设计出图1b所示的最终设备。

图二 模拟强度分布

（A,B）模拟理想波长为1.55μm的高斯输入与由十个周期的反向设计PBS构成的结构之间的相互作用，A为平行偏振的磁场分布，B为垂直偏振的电场分布

（C,D）模拟器件输出分布，C为平行偏振输入的输出分布，D为垂直偏振输入的输出分布

小结：为了验证反向设计的装置是否按预期工作，将十周期结构导入商用有限差分时域解算器中，并在左侧高斯光源的照明下进行模拟。显然，逆设计的算法获得结构使得大多数平行极化向左弯曲，而大多数垂直极化向右弯曲。通过模拟注意到偏振分裂行为是在1.3至1.7μm的相对较大带宽上观察到的，这是由于器件的非共振行为所致。

图三 设备的扫描电子显微镜图像

（A，B）设备的3D模型

（C）设备的顶视扫描电子显微镜图

小结：PBS尺寸为30 µm×30 µm，对应于20λ。一个周期晶胞尺寸为3 µm×3 µm（2λ×2λ），共十个周期。

图四 测试归一化透射强度

（A，C）分别为1300nm、1550nm入射光不同偏振角对应的衍射角透射强度分布

（B，D）分别为1300nm、1550nm偏振角度不同的光通过器件后平行分量和垂直分量所占比例情况

小结：计算消光比：1.3μm光T_∥/T_⊥ = 5.33 (模拟: 18.11) and T_⊥/T_∥ = 3.3 (3.79), 1.55μm光 T_∥/T_⊥ = 3.16 (10.03) T_⊥/T_∥ = 2.18 (8.26)。所制备的器件表现出相对较好的偏振分束功能，同时也提供相对较低的传输损耗。尽管与传统的基于波导的偏振分束器相比，消光比不是很高，但是通过逆设计算法可以显着提高设备的性能。

—— ||| 点评||| ——

总之，通过实验证明了一种由逆设计算法的自由空间近红外PBS，并由双光子3D直接激光写入系统制作而成。实验观察到偏振分裂行为在1.3到1.55微米之间，在最佳波长下消光比高达5。随着3D打印技术分辨率的进一步提高，该方法可以扩展到更短的波长。

文献链接：Two-Photon Direct Laser Writing of Inverse-Designed Free-Form Near-Infrared Polarization Beamsplitter

ADVANCED OPTICAL MATERIALS（2019.8）

Heming Wei，Francois Callewaert，Wisnu Hadibrata，Vesselin Velev，Zizhuo Liu，Prem Kumar，Koray Aydin，Sridhar Krishnaswamy

https://doi.org/10.1002/adom.201900513