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(xì)，令人瞠目結(jié)舌。

三維激光直寫技術(shù)-前世

20世紀(jì)末日本雖然由于泡沫經(jīng)濟(jì)陷入了經(jīng)濟(jì)停滯甚至衰退的惡性循環(huán)，但是在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域還是有很多創(chuàng)造性的舉措，這為他們進(jìn)入21世紀(jì)后取得諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的研究成果起到了重要作用，其中包括當(dāng)時(shí)日本科技廳現(xiàn)在日本文部科學(xué)省科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)推進(jìn)實(shí)施的ERATO項(xiàng)目（創(chuàng)造科學(xué)推進(jìn)事業(yè)）。

ERATO項(xiàng)目是得到美國(guó)國(guó)家基金會(huì)等高度評(píng)價(jià)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(qiáng)的日本或日本籍在外的科學(xué)家，由他們擔(dān)任項(xiàng)目的首席科學(xué)家，給予20億日元的研究經(jīng)費(fèi)。然后在全世界范圍內(nèi)招募人才，一個(gè)項(xiàng)目一般會(huì)由三個(gè)相互支撐的研究小組構(gòu)成，每個(gè)小組4-5位研究員，開(kāi)展圍繞某個(gè)特定專 題的開(kāi)拓性研究，一般5年后解散。

從現(xiàn)在來(lái)看，ERATO項(xiàng)目譬如鐵基超導(dǎo)發(fā)明人東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野秀雄教授領(lǐng)導(dǎo)的透明電子項(xiàng)目等誕生了使水泥變成超導(dǎo)體等極具創(chuàng)新性的重要研究成果。飛秒激光直寫光波導(dǎo)技術(shù)可以說(shuō)是萌芽于大阪大學(xué)增原宏教授領(lǐng)導(dǎo)的ERATO極微化學(xué)項(xiàng)目，而在京都大學(xué)平尾一之教授領(lǐng)導(dǎo)的ERATO誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目得到了開(kāi)拓性發(fā)展的一項(xiàng)成果。

增原宏教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)主要開(kāi)展利用光進(jìn)行局域的化學(xué)反應(yīng)控制的研究。1994年在該項(xiàng)目任課題組長(zhǎng)的三澤弘明博士（現(xiàn)任北海道大學(xué)教授）偶然在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)將皮秒激光通過(guò)顯微物鏡聚焦到載玻片內(nèi)部，在玻璃內(nèi)部焦點(diǎn)處形成一個(gè)微納尺度的亮點(diǎn)（折射率變化），他考慮可以通過(guò)這個(gè)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)玻璃中的永 久性的三維超密度光存儲(chǔ)。他和日本中 央玻璃公司合作申請(qǐng)了專 利，并在1995年日本化學(xué)學(xué)會(huì)期刊上發(fā)表了純?nèi)照Z(yǔ)寫的利用這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行三維光存儲(chǔ)的的論文。利用飛秒激光進(jìn)行光存儲(chǔ)方面，哈佛大學(xué)Mazur教授的研究比較著名，但是這方面的工作應(yīng)該是在三澤博士的工作之后，并且晚于更重要的京都大學(xué)平尾一之教授領(lǐng)導(dǎo)的飛秒激光直寫光波導(dǎo)的工作。

1994年9月成立的平尾誘導(dǎo)構(gòu)造項(xiàng)目目標(biāo)是通過(guò)外場(chǎng)調(diào)控具有熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)特性的玻璃的微結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)新功能、復(fù)合功能和高性能。當(dāng)時(shí)，美國(guó)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(jià)格昂貴，當(dāng)時(shí)一套飛秒激光價(jià)值一億日元。由于飛秒激光器具有超快超 強(qiáng)的特點(diǎn)，作為一種在實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)的極端的物理?xiàng)l件，飛秒激光被引入項(xiàng)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(dǎo)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，剛開(kāi)始選擇了比較偏門的光激勵(lì)和長(zhǎng)余輝發(fā)光材料研究，后來(lái)為飛秒激光誘導(dǎo)的神奇現(xiàn)象所吸引，加入到飛秒激光誘導(dǎo)材料微納結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)的研究。飛秒激光直寫光波導(dǎo)技術(shù)可以說(shuō)是平尾誘導(dǎo)構(gòu)造項(xiàng)目Z有代表性的工作。

平尾項(xiàng)目中當(dāng)時(shí)來(lái)自日本中 央玻璃的三浦清貴研究員曾在增原項(xiàng)目擔(dān)任合作研究員，他非常了解三澤博士的工作，他關(guān)注飛秒激光在玻璃內(nèi)部誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)他在項(xiàng)目討論會(huì)上創(chuàng)造性地提出了是否可用這個(gè)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)三維集成光路，但幾乎沒(méi)有人認(rèn)為他的想法能夠?qū)崿F(xiàn)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)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(shí)，通過(guò)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(dǎo)致局域的高溫高壓，Z 終通過(guò)微爆炸形成空洞或折射率小于周邊的結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)中心的折射率一般小于邊緣的折射率。而光波導(dǎo)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(dǎo)結(jié)構(gòu)中通過(guò)全反射進(jìn)行傳播。

三維激光直寫應(yīng)用-今生

三維激光直寫光波導(dǎo)技術(shù)現(xiàn)在已用于無(wú)源波導(dǎo)、分束器、耦合器、電光調(diào)制器、倍頻光波導(dǎo)、光波導(dǎo)型放大器、光波導(dǎo)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(gè)國(guó)際性的熱點(diǎn)。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(dǎo)技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)任意形狀的和圖案化的兼具所設(shè)計(jì)的折射率分布和低損耗的光波導(dǎo)。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(kāi)展了利用柱形棱鏡、狹縫等光束整形技術(shù)實(shí)現(xiàn)橫截面接近圓形的光波導(dǎo)的探討。另外通過(guò)空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)并行直寫以提高直寫光波導(dǎo)的效率。在材料方面設(shè)計(jì)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(shí)同時(shí)誘導(dǎo)其它結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，通過(guò)基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)新功能、復(fù)合功能和高性能。

未來(lái)，基于飛秒激光時(shí)空整形技術(shù)的低損耗光波導(dǎo)直寫將成為必然趨勢(shì)。飛秒激光的特點(diǎn)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(shí)空啁啾狀態(tài)、脈沖前傾等，其決定了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形態(tài)和功能的無(wú)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(dǎo)列陣應(yīng)用于光通信系統(tǒng)。隨著飛秒激光價(jià)格的進(jìn)一步降低，飛秒激光應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，不斷會(huì)有新的飛秒激光直寫光波導(dǎo)關(guān)聯(lián)產(chǎn)品投放市場(chǎng)。