飞秒激光制备器件的原理 飞秒激光制备表面型红外器件
近年来，随着研究人员对红外微光学元器件的深入研究，高精度制备器件备受关注。传统的制备技术存在许多缺点，而飞秒激光有着超强、超快的特性，非常合适用来制备红外微光学元器件。
据麦姆斯咨询报道，近期，宁波大学红外材料及器件实验室、浙江大学硅材料国家重点实验室和现代光学仪器国家重点实验室的科研团队在《激光与光电子学进展》期刊上发表了以“飞秒激光制备红外微光学元器件”为主题的文章。该文章第一作者为牛亚华，通讯作者为刘小峰副教授。
本文以透镜阵列、复眼、光栅、光波导和光子晶体为例，介绍了飞秒激光使用不同材料、不同制造方法制备红外微光学元器件的发展，在材料上有红外半导体、硫系玻璃及红外聚合物等，在方法上有飞秒激光诱导化学刻蚀、飞秒激光辅助湿法刻蚀、飞秒激光辅助干法刻蚀等，对其应用及具体案例进行分析，并展望了该技术的发展趋势。
飞秒激光制备器件的原理
增材制造
目前，基于激光的最具代表性的增材制造工艺是立体光刻技术（SLA）。根据美国材料实验协会（ASTM）“ASTM F42–增材制造”的分类定义，SLA归类为光聚合工艺。这种工艺利用激光和材料沉积方法来实现逐层制造。
SLA是一种通过将飞秒激光等聚焦在光敏聚合物树脂槽上而进行选择性光聚合的工艺。激光束在需固化的树脂层上绘制出轮廓，然后下降一层的距离，再将下一层未固化的树脂在前一层的顶部固化，重复此过程，直到获得所需的三维结构或部件为止。图1为SLA的流程图。
图1 SLA流程图
增材制造的另一种方法是双光子聚合加工，即在紧聚焦的飞秒激光照射下，光引发剂激活的自由基诱发单体在树脂内部发生聚合反应，高浓度低聚物或单体相互缠绕交联，形成固化的体积元。在飞秒激光连续扫描的情况下，这些体积元连接在一起形成各种固化的聚合结构。
减材制造
减材制造，是相对“增材制造”而言，是将原材料装夹固定于设备上，通过切削工具（刀具、磨具和磨料）将坯料或工件上多余的材料层切去成为切屑，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法，也叫作切削加工，该方法已有300多年的历史。锁模钛蓝宝石激光器在脉冲激光器中有2个独特的特点。其一，飞秒到亚皮秒的超短脉冲持续时间。这种超短脉冲为激光微加工宽带间隙材料等开辟了新的可能性。其二，强激光脉冲辐照使材料在辐照过程中产生热应力，并可能引起裂纹和剥落，用超短激光脉冲代替普通激光脉冲可以有效避免这些故障。
飞秒激光去除物质的机理主要基于冷加工，该方法在物体表面加工时，产生的热影响区最小，是一项微纳尺度内材料精密加工的新技术，其加工过程如图2所示。考虑到激光参量（功率、波长、脉冲持续时间等）、物质自身属性等因素，将飞秒激光加工物质的机理细分为熔化、热汽化、库仑爆炸、雪崩电离与多光子电离等几种作用机理，在实际加工中，通常以雪崩电离与多光子电离为主要机理。自由电子在吸收激光能量后产生较大的动能，与原子碰撞后产生多个自由电子，此过程不断反复，形成雪崩电离现象。飞秒激光辐照金属表面时，雪崩电离和多光子效应使大量的金属价带电子转变为高温自由电子，当其积累到一定密度时，激光能量被材料大量吸收，形成的高温高压等离子体以喷射的形式被剥离母材表面，达到材料去除的目的。
图2 飞秒激光加工示意图
飞秒激光内部修饰
飞秒激光进行内部修饰包括飞秒激光在透明介质中制备波导器件，诱导晶体选择性析出等。飞秒激光经过物镜聚焦到达样品内部，移动样品可以实现对其选择性修饰。根据激光传播方向和样品移动方向为垂直或平行，可以将激光波导加工分为横向直写和纵向直写。激光在玻璃体内诱导晶体生长的关键之处为激光能量能够有效地沉积在选定区域以实现玻璃的局部加热，然后通过玻璃材料的熔融重组来实现晶体的生长。
飞秒激光加工机理
飞秒激光技术作为一种非接触式加工方法，其具有极高的峰值功率，可以在极短的时间内将所有的激光能量注入极小的加工区域，实现对材料的非热熔性加工，有效避免了重铸层、热影响区和熔渣对加工区域的不良影响。飞秒激光具有较高的峰值功率，而且还有极短的作用时间以及非线性加工等特点，其瞬间产生的高能量可以改变电子的吸收方式和运动方式，进而从根本上改变激光与材料作用的机理，实现高质量、高精度、高效率的微纳加工，成为目前具有较大潜力的一种表面微纳结构加工技术。
飞秒激光制备表面型红外器件
透镜阵列
微透镜是微光学中最为基础的成像和聚焦器件之一，其在集成光学成像领域具有重要的应用，在光通信、波前传感、光束整形和液晶显示等领域也有着十分广泛的应用。在红外波段工作的微透镜器件被人们广泛重视，且这种微透镜器件被应用于众多领域。目前，用于红外微透镜制备的方法主要有飞秒激光辅助干法刻蚀、飞秒激光辅助湿法刻蚀，如图3所示。图3（a）为飞秒激光辅助干法刻蚀的制造方法，图3（b）为飞秒激光辅助湿法刻蚀制造方法。
图3 微透镜制备方法：（a）飞秒激光辅助干法刻蚀示意图；（b）飞秒激光辅助湿法刻蚀示意图
除了在制备方法上有两类，用于制作红外微透镜的材料也主要分为硫系玻璃和红外聚合物两类。由于硫系玻璃中有大量不稳定的化学键，在高能激光作用下会发生折射率变化、微形变等效应，这些效应可用于实现光存储，所以硫系玻璃也可以被用来实现微米级的折射微光学器件。直径为17 μm、焦距为100 μm的微透镜阵列如图4所示，其中每个凹面微透镜由100 Hz重复频率的单一激光脉冲产生，形成均匀的虚拟焦点阵列和字母“IP”的虚拟像，展现出良好的成像效果。
图4 微透镜阵列及其虚焦点阵列和字母“IP”的虚像阵列
为了获得良好的透镜表面形貌和质量，在2020年，Zhang等将飞秒激光辅助化学蚀刻（FLACE）与精密玻璃成型工艺相结合，采用FLACE方法在硬质耐高温BK7玻璃上制作凹形微透镜阵列。所制备的ChG-微透镜阵列具有良好的表面形貌和质量，在波长为2.5~20 μm下具有较高的透明度。此种方法的制造工艺图如图5所示。
图5 制造工艺示意图：（a）通过激光照射在BK7玻璃上产生一列激光暴露的弹坑；（b）用超声辅助HF蚀刻处理凹陷；（c）形成表面光滑的凹面微透镜阵列；（d）精密玻璃成型工艺；（e）将硫系玻璃（ChG）与模具分离；（f）凸型ChG微透镜阵列
除了上述的硫系玻璃可以用来制备透镜，红外聚合物也可以用来制备高性能的透镜。
复眼
复眼是自然界中常见的一种视觉器官，常见于节肢动物中，其具有极高的视场角、低像差、低失真、高时间分辨率、高空间分辨率和无限景深等优点，近些年受到较大的关注。虽然光刻技术已经被证明可以在各种材料上灵活地制作二维平面微透镜阵列，但要制作三维弯曲复眼却很困难。目前，飞秒激光制造已成为在各种材料上构建任意和复杂三维结构的一种强大的方法。
利用飞秒激光制备复眼的技术有很多，受蚊子功能性六角形复眼结构阵列的启发，2018年Lin等提出利用超快激光直写技术并通过多脉冲能量渐变的方式，来制备复眼结构。制备复眼的方法除了超快激光直写，在2019年，Liu等还提出了一种基于飞秒激光辅助干法刻蚀加工（DE-FsLM）方法，用于在弯曲蓝宝石衬底上快速制造人造复眼。凹型透镜和复眼的制备如图6所示。
图6 凹型透镜和复眼的制备：（a）采用DE-FsLM制作蓝宝石凹面微透镜方案；（b）蓝宝石凹型复眼模板和K9玻璃复眼制作示意图
而后，基于复眼结构的超疏水表面的制备技术和性质，在2020年，Liu等提出了可以利用不同于玻璃和蓝宝石衬底的材料来制备红外人工复眼结构，采用热塑性红外高分子材料制备了三维红外人工复眼（ACE）光学元件。图7为ACE组件的表面形貌。
图7 ACE组件形貌图：（a）ACE组件的表面形貌；（b）壳体组件的截面形态
制备复眼的方式有很多，除了上述方法，在2019年，Jin等通过飞秒激光制备用于大规模生产人工复眼的三维模板，提出了一种利用飞秒激光直写制作的光聚合物模板大规模生产3D人造复眼的高效方法。
光栅
光栅是一种具有周期性结构的分光元件，被广泛应用于分光仪器和光谱分析系统中。按其工作方式可分为反射式和透射式。其中，透射式光栅由在透明材料表面刻蚀周期性结构而制成，具有大宽带、高衍射效率和高损伤阈值等特性。透射光栅能够简化光学系统、降低调制难度且成本较低，因此在电子通信、生物医疗和微电子器件等领域有很好的应用前景。与其他透明材料相比，二氧化硅玻璃性能优异，是制备透射型玻璃光栅的理想材料之一。光栅的形成过程主要是激光烧蚀过程，在平面光栅的制作中，表面浮雕光栅是由蓝宝石激光器单次发射的两个脉冲干涉形成的。光栅制造过程中是用恒定速度移动衬底，并与激光脉冲重复频率同步的，这种制作方法可用于各种透明介质材料。
为了实现能集成在多模中红外硫系光波导末端或用于化学传感的裸芯硫系玻璃光纤表面的表面浮雕衍射微光栅，2012年，Kohoutek等提出了利用飞秒脉冲激光表面刻蚀实现这些实际应用。2021年，Chen等提出了一种基于光纤表面波导和布拉格光栅的光纤传感器，用于同时感知折射率（RI）和温度。器件的两种FBG显微镜图像如图8所示。所制备的装置结构紧凑、坚固耐用、操作方便。
图8 设备原理图
飞秒激光制备内部型红外器件
光波导
光波导结构能够将光场限制在微米级截面的通道内以无衍射的方式传输，保证了腔内相对较高的光密度，并使块体材料原有的光学性质在波导中得到一定程度的增强。光波导是高性能集成光子学器件的基本结构，被定义为具有低折射率包层的高折射率核心。在光通信、量子信息、传感等领域有重要的应用价值，一直是集成光子学领域的一个研究热点。
图9 包层波导和分束器的制作原理图
光子晶体
光子晶体是一种介电常数随空间呈周期性变化的材料。光子晶体具有很多功能和作用，其中，空间滤波是改善激光辐射空间特性的一种常用技术，可以解决光束空间质量问题。
图10 在二氧化硅和树脂中制备光子晶体
图11 空间滤波示意图
光纤光栅
飞秒激光作为一项先进的微纳加工技术，因其脉冲短、峰值功率大，具有极高的加工精度，非常适合加工光栅类的精密结构。因此研究使用飞秒激光在光纤内部制备光栅，其具有重要的意义。自从希尔等在近40年前首次演示以来，FBG已经成为几乎所有基于光纤的光纤网络和传感器系统的不可或缺的组件。随着技术的进步，制备光栅的方法也越来越简化。不仅在普通光纤中能制备光栅，FBG还可以在光子晶体光纤中来制备，由于包层区域存在气孔以及吸收过程所需折射率变化的非线性特性，所以刻蚀FBG并非易事。光纤光栅的用途很多，比如可以利用新的方法制备传感器，用来进行结构健康监测和微波信号处理。
结语
飞秒激光作为一种新型的微纳加工技术，具有脉冲短、峰值功率大、加工精度极高和“冷加工”等优势，被广泛应用于红外器件的制备中。此前所使用的非飞秒激光加工的方法，例如切割、铣削，磨削等，加工出来的结构精度不高表面较粗糙，且在加工时严重依赖工具，工具一旦有问题就会严重影响器件的精度，所以无法实现高精度制备；又如电子束刻蚀虽然可以实现较高的精度，但这种方法依赖于昂贵的掩模，制作工序复杂，对工业加工应用来说经济性和适用性不高。相比之下，飞秒激光以及结合不同的方法来制备表面型红外器件和内部型红外器件，能够实现较高的精度和较为简单的加工工序，使得如今飞秒激光制备的红外微光学元器件应用范围和领域越来越广泛且全面，在工业、医疗等微加工领域等都具有广泛应用。
总结了包括使用不同材料、不同制造方法制备红外器件的发展，在材料上有红外半导体、硫系玻璃及红外聚合物等；在方法上有飞秒激光诱导化学刻蚀，飞秒激光辅助湿法刻蚀，飞秒激光辅助干法刻蚀，超快激光直写技术并通过多脉冲能量渐变的方式，结合三维纳米压印技术，改变激光入射光束的能量密度和入射角度以及飞秒激光诱导微爆炸法等。虽然介绍的方法满足制备器件的需求且经济价值高，但是仍存在一些问题，比如制备的器件精度要求更高，需要继续探索新的制备方法和制备手段，飞秒激光结合其他更多的技术比如飞秒激光结合多光子电离或飞秒激光结合传统工艺，改变激光参数等手段，朝着更高精度、更简单、工艺更成熟的方向发展。相信在未来，研究者也会不断学习，充分利用飞秒激光技术的优势，探索新的方法，在不同材料上制备出性能更加优异的红外器件，应用于更宽阔的领域。
审核编辑：刘清
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