光学色散作为基础物理现象，能将复色光分解为不同波长的单色光（如彩虹形成），在光谱分析、精密测量与光学成像等前沿领域发挥着不可替代的作用。随着可穿戴光电系统、片上集成光子学的迅猛发展，研制具有微米级特征尺寸的光子器件，已成为开发新一代小型化、集成式装备的核心关键。然而，传统的色散元件（如棱镜、干涉仪、衍射光栅）受限于厘米量级光程要求和严苛的几何对准精度，难以满足超紧凑光学系统对空间效率与结构鲁棒性的要求。在此背景下，微尺度光学色散技术应运而生，旨在将色散工作尺度压缩至微米量级，已成为集成光子学的前沿研究热点。而开发兼具宽带响应、紧凑尺寸、高色散精度及强稳定性的微尺度光学色散器件，并实现其简捷高效的设计制造，是当前亟待突破的科学与技术挑战。

近日，浙江大学光电学院邱建荣教授团队、信电学院杨宗银教授团队、新加坡国立大学仇成伟教授团队通过超快激光在铌酸锂晶体中诱导人工色散微区实现了三维自由空间中超宽带光学色散的按需定制，该方案支持在50×10×6 µm³ 超紧凑空间内精确按需构建具有超宽带光谱响应（> 1300 nm）的微尺度光学色散平台，该平台展现出高度设计灵活性、角度不敏感特性及优异的极端环境抗干扰能力，为新型宽带片上微型光谱仪、高光谱成像、信息记录、防伪加密等应用开辟了全新技术路径，为推动三维集成光子学的发展提供了全新思路。该成果以“3D ultra-broadband optically dispersive microregions in lithium niobate”为题发表于Nature Communications。

研究创新点

机理创新：三维微尺度光学色散产生

为了将光学色散压缩至微米尺度，本研究通过超快激光在铌酸锂晶体内部诱导亚波长相变纳米条纹（SPNs）构建色散微区（图1a）。由于超快激光与铌酸锂晶体相互作用过程中纳米等离子体的各向异性生长，焦点体积内的SPNs呈周期性排列，其中非晶态纳米条纹宽度约为20 nm，周期约为200 nm（图1b）。由于铌酸锂晶体和非晶相之间显著的折射率差异，根据有效介质理论，色散微区可等效视为各向异性介质层，对入射光的相位和偏振进行二次调制（图1c），从而在激光修饰区域内建立O光和E光的频率相关干涉（图1d），干涉光频率与O光和E光抵达色散微区时的相位差相关（图1e）。通过设计激光写入路径在晶体内部构建光楔结构，可以直接产生连续变化的相位差，简捷高效地实现三维空间微尺度光学色散（图1f）。

图1 铌酸锂中微尺度光学色散原理

三维微尺度光学色散按需操控

通过精准调控光楔角度及取向，可以设计MOD的光学特性。例如，在三维空间中扭转色散微区能够精细调整其分光方向与模式（图2a, b）；调节楔角大小则可控制不同频率光干涉的条纹间距，进而调控MOD的整体工作尺寸（图2c-e）。基于此原理，可以将色散区域长度压缩至50 µm，宽度减小至10 µm，光楔厚度仅为6 µm（图2f），从而在极紧凑的空间内实现整个可见光波段的有效色散，使得基于传统架构的光学元件在尺寸上首次可与超材料相媲美。这种超紧凑设计允许MOD元件能够集成于块体、各类基板以及薄膜等多种衬底之中，展现出优异的通用性和可集成性。

图2 三维光学色散微区设计与调控

基于此方法创建的MOD元件展现出优异的性能。首先，光楔结构支持产生连续的宽带光学色散信号，构建的色散元件展示出涵盖紫外、可见光和近红外区域的超宽光谱响应，理论上仅受到铌酸锂晶体透明窗口的限制。其次，通过激光直写能够按需定制色散微区形状（图3a），从而直接在三维空间中显示复杂的色散图案（图3b），为多维信息记录、光学加密和多级防伪等提供新方案。SPNs引起的局部光调制使色散信号被严格限制在色散微区内，而非在空间上发散。通过对色散微区成像即可直接提取色散信号，兼容透射和反射两种工作模式（图3c），并且色散信号与成像视角无关（图3d）。相较于传统精密光学色散元件，色散微区在全无机晶体基质的保护下表现出极强的稳定性，使得MOD元件能够承受600 ℃高温、强酸腐蚀、污染、机械损伤等各种极端环境，对震动、冲击等外部扰动均不敏感（图3e）。

图3 铌酸锂光学色散微区优势特性

应用突破：超宽带片上微型光谱仪

本文提出的MOD策略在片上集成光谱仪和光谱成像方面展现出巨大潜力。刻有色散微区的铌酸锂窗口与能够直接与CMOS图像传感器集成实现片上光谱探测，根据MOD元件的光谱响应函数和入射光MOD光强分布，即可重构出未知光源的光谱信息（图4）。MOD光谱仪在390-1710 nm的超宽波长范围内对单峰、双峰、宽谱均展现出灵敏、稳定的探测能力，其单色光重构半峰全宽可达3.94 nm，双峰重构分辨率达到4 nm，综合性能优于商用集成光谱仪。通过激光直写构建色散微区阵列，还可以实现光谱成像功能。值得一提的是，色散微区的创建完全通过自组织材料修饰实现，不依赖EBL等复杂微纳制造工艺，极大降低了应用成本。鉴于MOD元件优异的可扩展性、稳定性、可重复性和经济性，这种集成光谱探测系统有望大规模应用于包括环境监测、生物医学、食品安全和工业检测等多种场景，尤其是在极端条件下消耗性任务中具有显著优势。

图4 基于MOD的片上微型光谱仪

总结与展望

本研究通过超快激光诱导亚波长相变纳米条纹在铌酸锂晶体内构建三维可控的色散微区，首次实现高折射率介电环境下微尺度光调制以及具有多自由度可控性的超宽带光学色散。所提出的制造方法、色散机制和操控原理为增强透明介电材料中的光与物质相互作用研究以及自由空间集成光子器件开发提供了新的机遇，为推进小型化光学色散元件广泛应用于下一代便携式、可穿戴和模块化光电系统奠定了基础。

本文第一作者为浙江大学张博博士、王卓博士、剑桥大学Tom Albrow-Owen博士，通讯作者为浙江大学邱建荣教授、杨宗银教授、张博博士、谭德志研究员和新加坡国立大学仇成伟教授。剑桥大学Tawfique Hasan教授等也为本工作做出重要贡献。