近年來(lái)，隨著研究人員對(duì)紅外微光學(xué)元器件的深入研究，高精度制備器件備受關(guān)注。傳統(tǒng)的制備技術(shù)存在許多缺點(diǎn)，而飛秒激光有著超強(qiáng)、超快的特性，非常合適用來(lái)制備紅外微光學(xué)元器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，寧波大學(xué)紅外材料及器件實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表了以“飛秒激光制備紅外微光學(xué)元器件”為主題的文章。該文章第一作者為牛亞華，通訊作者為劉小峰副教授。

本文以透鏡陣列、復(fù)眼、光柵、光波導(dǎo)和光子晶體為例，介紹了飛秒激光使用不同材料、不同制造方法制備紅外微光學(xué)元器件的發(fā)展，在材料上有紅外半導(dǎo)體、硫系玻璃及紅外聚合物等，在方法上有飛秒激光誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕、飛秒激光輔助濕法刻蝕、飛秒激光輔助干法刻蝕等，對(duì)其應(yīng)用及具體案例進(jìn)行分析，并展望了該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

飛秒激光制備器件的原理

增材制造

目前，基于激光的最具代表性的增材制造工藝是立體光刻技術(shù)（SLA）。根據(jù)美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）“ASTM F42–增材制造”的分類(lèi)定義，SLA歸類(lèi)為光聚合工藝。這種工藝?yán)眉す夂筒牧铣练e方法來(lái)實(shí)現(xiàn)逐層制造。

SLA是一種通過(guò)將飛秒激光等聚焦在光敏聚合物樹(shù)脂槽上而進(jìn)行選擇性光聚合的工藝。激光束在需固化的樹(shù)脂層上繪制出輪廓，然后下降一層的距離，再將下一層未固化的樹(shù)脂在前一層的頂部固化，重復(fù)此過(guò)程，直到獲得所需的三維結(jié)構(gòu)或部件為止。圖1為SLA的流程圖。

圖1 SLA流程圖

增材制造的另一種方法是雙光子聚合加工，即在緊聚焦的飛秒激光照射下，光引發(fā)劑激活的自由基誘發(fā)單體在樹(shù)脂內(nèi)部發(fā)生聚合反應(yīng)，高濃度低聚物或單體相互纏繞交聯(lián)，形成固化的體積元。在飛秒激光連續(xù)掃描的情況下，這些體積元連接在一起形成各種固化的聚合結(jié)構(gòu)。

減材制造

減材制造，是相對(duì)“增材制造”而言，是將原材料裝夾固定于設(shè)備上，通過(guò)切削工具（刀具、磨具和磨料）將坯料或工件上多余的材料層切去成為切屑，使工件獲得規(guī)定的幾何形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工方法，也叫作切削加工，該方法已有300多年的歷史。鎖模鈦藍(lán)寶石激光器在脈沖激光器中有2個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)。其一，飛秒到亞皮秒的超短脈沖持續(xù)時(shí)間。這種超短脈沖為激光微加工寬帶間隙材料等開(kāi)辟了新的可能性。其二，強(qiáng)激光脈沖輻照使材料在輻照過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，并可能引起裂紋和剝落，用超短激光脈沖代替普通激光脈沖可以有效避免這些故障。

飛秒激光去除物質(zhì)的機(jī)理主要基于冷加工，該方法在物體表面加工時(shí)，產(chǎn)生的熱影響區(qū)最小，是一項(xiàng)微納尺度內(nèi)材料精密加工的新技術(shù)，其加工過(guò)程如圖2所示?？紤]到激光參量（功率、波長(zhǎng)、脈沖持續(xù)時(shí)間等）、物質(zhì)自身屬性等因素，將飛秒激光加工物質(zhì)的機(jī)理細(xì)分為熔化、熱汽化、庫(kù)侖爆炸、雪崩電離與多光子電離等幾種作用機(jī)理，在實(shí)際加工中，通常以雪崩電離與多光子電離為主要機(jī)理。自由電子在吸收激光能量后產(chǎn)生較大的動(dòng)能，與原子碰撞后產(chǎn)生多個(gè)自由電子，此過(guò)程不斷反復(fù)，形成雪崩電離現(xiàn)象。飛秒激光輻照金屬表面時(shí)，雪崩電離和多光子效應(yīng)使大量的金屬價(jià)帶電子轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷刈杂呻娮?，?dāng)其積累到一定密度時(shí)，激光能量被材料大量吸收，形成的高溫高壓等離子體以噴射的形式被剝離母材表面，達(dá)到材料去除的目的。

圖2 飛秒激光加工示意圖

飛秒激光內(nèi)部修飾

飛秒激光進(jìn)行內(nèi)部修飾包括飛秒激光在透明介質(zhì)中制備波導(dǎo)器件，誘導(dǎo)晶體選擇性析出等。飛秒激光經(jīng)過(guò)物鏡聚焦到達(dá)樣品內(nèi)部，移動(dòng)樣品可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其選擇性修飾。根據(jù)激光傳播方向和樣品移動(dòng)方向?yàn)榇怪被蚱叫?，可以將激光波?dǎo)加工分為橫向直寫(xiě)和縱向直寫(xiě)。激光在玻璃體內(nèi)誘導(dǎo)晶體生長(zhǎng)的關(guān)鍵之處為激光能量能夠有效地沉積在選定區(qū)域以實(shí)現(xiàn)玻璃的局部加熱，然后通過(guò)玻璃材料的熔融重組來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)。

飛秒激光加工機(jī)理

飛秒激光技術(shù)作為一種非接觸式加工方法，其具有極高的峰值功率，可以在極短的時(shí)間內(nèi)將所有的激光能量注入極小的加工區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的非熱熔性加工，有效避免了重鑄層、熱影響區(qū)和熔渣對(duì)加工區(qū)域的不良影響。飛秒激光具有較高的峰值功率，而且還有極短的作用時(shí)間以及非線性加工等特點(diǎn)，其瞬間產(chǎn)生的高能量可以改變電子的吸收方式和運(yùn)動(dòng)方式，進(jìn)而從根本上改變激光與材料作用的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度、高效率的微納加工，成為目前具有較大潛力的一種表面微納結(jié)構(gòu)加工技術(shù)。

飛秒激光制備表面型紅外器件

透鏡陣列

微透鏡是微光學(xué)中最為基礎(chǔ)的成像和聚焦器件之一，其在集成光學(xué)成像領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，在光通信、波前傳感、光束整形和液晶顯示等領(lǐng)域也有著十分廣泛的應(yīng)用。在紅外波段工作的微透鏡器件被人們廣泛重視，且這種微透鏡器件被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。目前，用于紅外微透鏡制備的方法主要有飛秒激光輔助干法刻蝕、飛秒激光輔助濕法刻蝕，如圖3所示。圖3（a）為飛秒激光輔助干法刻蝕的制造方法，圖3（b）為飛秒激光輔助濕法刻蝕制造方法。

圖3 微透鏡制備方法：（a）飛秒激光輔助干法刻蝕示意圖；（b）飛秒激光輔助濕法刻蝕示意圖

除了在制備方法上有兩類(lèi)，用于制作紅外微透鏡的材料也主要分為硫系玻璃和紅外聚合物兩類(lèi)。由于硫系玻璃中有大量不穩(wěn)定的化學(xué)鍵，在高能激光作用下會(huì)發(fā)生折射率變化、微形變等效應(yīng)，這些效應(yīng)可用于實(shí)現(xiàn)光存儲(chǔ)，所以硫系玻璃也可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的折射微光學(xué)器件。直徑為17 μm、焦距為100 μm的微透鏡陣列如圖4所示，其中每個(gè)凹面微透鏡由100 Hz重復(fù)頻率的單一激光脈沖產(chǎn)生，形成均勻的虛擬焦點(diǎn)陣列和字母“IP”的虛擬像，展現(xiàn)出良好的成像效果。

圖4 微透鏡陣列及其虛焦點(diǎn)陣列和字母“IP”的虛像陣列

為了獲得良好的透鏡表面形貌和質(zhì)量，在2020年，Zhang等將飛秒激光輔助化學(xué)蝕刻（FLACE）與精密玻璃成型工藝相結(jié)合，采用FLACE方法在硬質(zhì)耐高溫BK7玻璃上制作凹形微透鏡陣列。所制備的ChG-微透鏡陣列具有良好的表面形貌和質(zhì)量，在波長(zhǎng)為2.5~20 μm下具有較高的透明度。此種方法的制造工藝圖如圖5所示。

圖5 制造工藝示意圖：（a）通過(guò)激光照射在BK7玻璃上產(chǎn)生一列激光暴露的彈坑；（b）用超聲輔助HF蝕刻處理凹陷；（c）形成表面光滑的凹面微透鏡陣列；（d）精密玻璃成型工藝；（e）將硫系玻璃（ChG）與模具分離；（f）凸型ChG微透鏡陣列

除了上述的硫系玻璃可以用來(lái)制備透鏡，紅外聚合物也可以用來(lái)制備高性能的透鏡。

復(fù)眼

復(fù)眼是自然界中常見(jiàn)的一種視覺(jué)器官，常見(jiàn)于節(jié)肢動(dòng)物中，其具有極高的視場(chǎng)角、低像差、低失真、高時(shí)間分辨率、高空間分辨率和無(wú)限景深等優(yōu)點(diǎn)，近些年受到較大的關(guān)注。雖然光刻技術(shù)已經(jīng)被證明可以在各種材料上靈活地制作二維平面微透鏡陣列，但要制作三維彎曲復(fù)眼卻很困難。目前，飛秒激光制造已成為在各種材料上構(gòu)建任意和復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的一種強(qiáng)大的方法。

利用飛秒激光制備復(fù)眼的技術(shù)有很多，受蚊子功能性六角形復(fù)眼結(jié)構(gòu)陣列的啟發(fā)，2018年Lin等提出利用超快激光直寫(xiě)技術(shù)并通過(guò)多脈沖能量漸變的方式，來(lái)制備復(fù)眼結(jié)構(gòu)。制備復(fù)眼的方法除了超快激光直寫(xiě)，在2019年，Liu等還提出了一種基于飛秒激光輔助干法刻蝕加工（DE-FsLM）方法，用于在彎曲藍(lán)寶石襯底上快速制造人造復(fù)眼。凹型透鏡和復(fù)眼的制備如圖6所示。

圖6 凹型透鏡和復(fù)眼的制備：（a）采用DE-FsLM制作藍(lán)寶石凹面微透鏡方案；（b）藍(lán)寶石凹型復(fù)眼模板和K9玻璃復(fù)眼制作示意圖

而后，基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的超疏水表面的制備技術(shù)和性質(zhì)，在2020年，Liu等提出了可以利用不同于玻璃和藍(lán)寶石襯底的材料來(lái)制備紅外人工復(fù)眼結(jié)構(gòu)，采用熱塑性紅外高分子材料制備了三維紅外人工復(fù)眼（ACE）光學(xué)元件。圖7為ACE組件的表面形貌。

圖7 ACE組件形貌圖：（a）ACE組件的表面形貌；（b）殼體組件的截面形態(tài)

制備復(fù)眼的方式有很多，除了上述方法，在2019年，Jin等通過(guò)飛秒激光制備用于大規(guī)模生產(chǎn)人工復(fù)眼的三維模板，提出了一種利用飛秒激光直寫(xiě)制作的光聚合物模板大規(guī)模生產(chǎn)3D人造復(fù)眼的高效方法。

光柵

光柵是一種具有周期性結(jié)構(gòu)的分光元件，被廣泛應(yīng)用于分光儀器和光譜分析系統(tǒng)中。按其工作方式可分為反射式和透射式。其中，透射式光柵由在透明材料表面刻蝕周期性結(jié)構(gòu)而制成，具有大寬帶、高衍射效率和高損傷閾值等特性。透射光柵能夠簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)、降低調(diào)制難度且成本較低，因此在電子通信、生物醫(yī)療和微電子器件等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。與其他透明材料相比，二氧化硅玻璃性能優(yōu)異，是制備透射型玻璃光柵的理想材料之一。光柵的形成過(guò)程主要是激光燒蝕過(guò)程，在平面光柵的制作中，表面浮雕光柵是由藍(lán)寶石激光器單次發(fā)射的兩個(gè)脈沖干涉形成的。光柵制造過(guò)程中是用恒定速度移動(dòng)襯底，并與激光脈沖重復(fù)頻率同步的，這種制作方法可用于各種透明介質(zhì)材料。

為了實(shí)現(xiàn)能集成在多模中紅外硫系光波導(dǎo)末端或用于化學(xué)傳感的裸芯硫系玻璃光纖表面的表面浮雕衍射微光柵，2012年，Kohoutek等提出了利用飛秒脈沖激光表面刻蝕實(shí)現(xiàn)這些實(shí)際應(yīng)用。2021年，Chen等提出了一種基于光纖表面波導(dǎo)和布拉格光柵的光纖傳感器，用于同時(shí)感知折射率（RI）和溫度。器件的兩種FBG顯微鏡圖像如圖8所示。所制備的裝置結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用、操作方便。

圖8 設(shè)備原理圖

飛秒激光制備內(nèi)部型紅外器件

光波導(dǎo)

光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐鈭?chǎng)限制在微米級(jí)截面的通道內(nèi)以無(wú)衍射的方式傳輸，保證了腔內(nèi)相對(duì)較高的光密度，并使塊體材料原有的光學(xué)性質(zhì)在波導(dǎo)中得到一定程度的增強(qiáng)。光波導(dǎo)是高性能集成光子學(xué)器件的基本結(jié)構(gòu)，被定義為具有低折射率包層的高折射率核心。在光通信、量子信息、傳感等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，一直是集成光子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

圖9 包層波導(dǎo)和分束器的制作原理圖

光子晶體

光子晶體是一種介電常數(shù)隨空間呈周期性變化的材料。光子晶體具有很多功能和作用，其中，空間濾波是改善激光輻射空間特性的一種常用技術(shù)，可以解決光束空間質(zhì)量問(wèn)題。

圖10 在二氧化硅和樹(shù)脂中制備光子晶體

圖11 空間濾波示意圖

光纖光柵

飛秒激光作為一項(xiàng)先進(jìn)的微納加工技術(shù)，因其脈沖短、峰值功率大，具有極高的加工精度，非常適合加工光柵類(lèi)的精密結(jié)構(gòu)。因此研究使用飛秒激光在光纖內(nèi)部制備光柵，其具有重要的意義。自從希爾等在近40年前首次演示以來(lái)，F(xiàn)BG已經(jīng)成為幾乎所有基于光纖的光纖網(wǎng)絡(luò)和傳感器系統(tǒng)的不可或缺的組件。隨著技術(shù)的進(jìn)步，制備光柵的方法也越來(lái)越簡(jiǎn)化。不僅在普通光纖中能制備光柵，F(xiàn)BG還可以在光子晶體光纖中來(lái)制備，由于包層區(qū)域存在氣孔以及吸收過(guò)程所需折射率變化的非線性特性，所以刻蝕FBG并非易事。光纖光柵的用途很多，比如可以利用新的方法制備傳感器，用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和微波信號(hào)處理。

結(jié)語(yǔ)

飛秒激光作為一種新型的微納加工技術(shù)，具有脈沖短、峰值功率大、加工精度極高和“冷加工”等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于紅外器件的制備中。此前所使用的非飛秒激光加工的方法，例如切割、銑削，磨削等，加工出來(lái)的結(jié)構(gòu)精度不高表面較粗糙，且在加工時(shí)嚴(yán)重依賴(lài)工具，工具一旦有問(wèn)題就會(huì)嚴(yán)重影響器件的精度，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度制備；又如電子束刻蝕雖然可以實(shí)現(xiàn)較高的精度，但這種方法依賴(lài)于昂貴的掩模，制作工序復(fù)雜，對(duì)工業(yè)加工應(yīng)用來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)性和適用性不高。相比之下，飛秒激光以及結(jié)合不同的方法來(lái)制備表面型紅外器件和內(nèi)部型紅外器件，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度和較為簡(jiǎn)單的加工工序，使得如今飛秒激光制備的紅外微光學(xué)元器件應(yīng)用范圍和領(lǐng)域越來(lái)越廣泛且全面，在工業(yè)、醫(yī)療等微加工領(lǐng)域等都具有廣泛應(yīng)用。

總結(jié)了包括使用不同材料、不同制造方法制備紅外器件的發(fā)展，在材料上有紅外半導(dǎo)體、硫系玻璃及紅外聚合物等；在方法上有飛秒激光誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕，飛秒激光輔助濕法刻蝕，飛秒激光輔助干法刻蝕，超快激光直寫(xiě)技術(shù)并通過(guò)多脈沖能量漸變的方式，結(jié)合三維納米壓印技術(shù)，改變激光入射光束的能量密度和入射角度以及飛秒激光誘導(dǎo)微爆炸法等。雖然介紹的方法滿足制備器件的需求且經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，但是仍存在一些問(wèn)題，比如制備的器件精度要求更高，需要繼續(xù)探索新的制備方法和制備手段，飛秒激光結(jié)合其他更多的技術(shù)比如飛秒激光結(jié)合多光子電離或飛秒激光結(jié)合傳統(tǒng)工藝，改變激光參數(shù)等手段，朝著更高精度、更簡(jiǎn)單、工藝更成熟的方向發(fā)展。相信在未來(lái)，研究者也會(huì)不斷學(xué)習(xí)，充分利用飛秒激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，探索新的方法，在不同材料上制備出性能更加優(yōu)異的紅外器件，應(yīng)用于更寬闊的領(lǐng)域。

審核編輯：劉清