近日，上海理工大学智能科技学院顾敏院士团队在《光：先进制造》（Light: Advanced Manufacturing, 新锐分区一区，IF:10.6）发表了最新研究成果，论文题为“基于激光纳米印刷技术在石英上实现多级纳米尺度相位编码，用于集成光学衍射器件”（“Laser-nanoprinting-enabled multilevel nanoscale phase encoding on quartz for integrated optical diffractive devices”）。该团队提出一种结合飞秒激光灰度掩模制备与多参数干法刻蚀优化的创新技术，成功在石英和硅基底上实现亚波长分辨率的多级纳米尺度相位编码，为集成光学衍射器件的高性能化、小型化提供了全新解决方案。栾海涛副研究员为本文第一和共同通讯作者，董毅博副研究员和顾敏院士为本文共同通讯作者。
衍射光学是光信息处理、光学神经网络、光通信等前沿光学领域的核心支撑技术，而具备纳米级分辨率的平面衍射光学元件，更是实现光子系统芯片级集成的关键核心器件。在现有技术体系中，基于光刻胶的灰度光刻技术因工艺简单、兼容性好，成为可见光波段衍射光学元件的主流制备方案，但由该技术制备的光学器件面临着分辨率不足、结构稳定性差、长期使用易退化等问题。
聚焦于这一核心需求，研究团队提出了飞秒激光纳米打印辅助的石英基多能级纳米级相位编码技术（图1）。团队首先通过飞秒激光纳米打印制备了具有纳米级分辨率的灰度光刻胶掩模，随后系统优化了刻蚀气体组分、功率、腔体压力等关键工艺参数，最终实现了灰度图案从光刻胶到石英衬底的高保真转移。
实验结果表明，该技术实现了约 81 nm 的亚波长图案转移分辨率，最小像素尺寸可达 1 μm²。基于该方法，团队成功在石英衬底上制备了包括衍射透镜、多阶全息图、衍射神经网络在内的多种集成衍射器件，所制备的结构均展现出极高的图案保真度。其中，单层石英基衍射神经网络在四类手写数字识别任务中实现了 91.75% 的分类准确率；石英基全息图在 400℃高温退火与强酸处理后仍保持结构完整和性能稳定，相较传统光刻胶基器件展现出优异的环境鲁棒性。
栾海涛副研究员介绍，这项工作的创新在于将飞秒激光纳米打印的超精密加工能力，与多参数优化的干法刻蚀工艺深度结合，在石英衬底上实现了高保真的纳米级多阶相位调制，形成了一套完整、可扩展的衍射光学器件制备技术方案。依靠石英材料优异的机械、化学与热稳定性，基于该技术制备的器件可在高温、强辐射等极端环境下稳定工作，同时整套工艺可兼容硅基半导体加工平台，未来可广泛服务于集成光子芯片、光学神经网络、全息显示与空间光通信等多个前沿领域。
论文链接：https://doi.org/10.37188/lam.2026.031
图1. 石英基板上灰度图案化技术的原理示意图、实验效果和应用领域
