近年來，隨著研究人員對紅外微光學元器件的深入研究，高精度制備器件備受關注。傳統的制備技術存在許多缺點，而飛秒激光有著超強、超快的特性，非常合適用來制備紅外微光學元器件。
據麥姆斯咨詢報道，近期，寧波大學紅外材料及器件實驗室、浙江大學硅材料國家重點實驗室和現代光學儀器國家重點實驗室的科研團隊在《激光與光電子學進展》期刊上發表了以“飛秒激光制備紅外微光學元器件”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、復眼、光柵、光波導和光子晶體為例，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元器件的發展，在材料上有紅外半導體、硫系玻璃及紅外聚合物等，在方法上有飛秒激光誘導化學刻蝕、飛秒激光輔助濕法刻蝕、飛秒激光輔助干法刻蝕等，對其應用及具體案例進行分析，并展望了該技術的發展趨勢。
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（SLA）。根據美國材料實驗協會（ASTM）“ASTM F42–增材制造”的分類定義，SLA歸類為光聚合工藝。這種工藝利用激光和材料沉積方法來實現逐層制造。
SLA是一種通過將飛秒激光等聚焦在光敏聚合物樹脂槽上而進行選擇性光聚合的工藝。激光束在需固化的樹脂層上繪制出輪廓，然后下降一層的距離，再將下一層未固化的樹脂在前一層的頂部固化，重復此過程，直到獲得所需的三維結構或部件為止。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，光引發劑激活的自由基誘發單體在樹脂內部發生聚合反應，高濃度低聚物或單體相互纏繞交聯，形成固化的體積元。在飛秒激光連續掃描的情況下，這些體積元連接在一起形成各種固化的聚合結構。
減材制造
減材制造，是相對“增材制造”而言，是將原材料裝夾固定于設備上，通過切削工具（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，使工件獲得規定的幾何形狀、尺寸和表面質量的加工方法，也叫作切削加工，該方法已有300多年的歷史。鎖模鈦藍寶石激光器在脈沖激光器中有2個獨特的特點。其一，飛秒到亞皮秒的超短脈沖持續時間。這種超短脈沖為激光微加工寬帶間隙材料等開辟了新的可能性。其二，強激光脈沖輻照使材料在輻照過程中產生熱應力，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。
飛秒激光去除物質的機理主要基于冷加工，該方法在物體表面加工時，產生的熱影響區最小，是一項微納尺度內材料精密加工的新技術，其加工過程如圖2所示。考慮到激光參量（功率、波長、脈沖持續時間等）、物質自身屬性等因素，將飛秒激光加工物質的機理細分為熔化、熱汽化、庫侖爆炸、雪崩電離與多光子電離等幾種作用機理，在實際加工中，通常以雪崩電離與多光子電離為主要機理。自由電子在吸收激光能量后產生較大的動能，與原子碰撞后產生多個自由電子，此過程不斷反復，形成雪崩電離現象。飛秒激光輻照金屬表面時，雪崩電離和多光子效應使大量的金屬價帶電子轉變為高溫自由電子，當其積累到一定密度時，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，達到材料去除的目的。
圖2 飛秒激光加工示意圖
飛秒激光內部修飾
飛秒激光進行內部修飾包括飛秒激光在透明介質中制備波導器件，誘導晶體選擇性析出等。飛秒激光經過物鏡聚焦到達樣品內部，移動樣品可以實現對其選擇性修飾。根據激光傳播方向和樣品移動方向為垂直或平行，可以將激光波導加工分為橫向直寫和縱向直寫。激光在玻璃體內誘導晶體生長的關鍵之處為激光能量能夠有效地沉積在選定區域以實現玻璃的局部加熱，然后通過玻璃材料的熔融重組來實現晶體的生長。
飛秒激光加工機理
飛秒激光技術作為一種非接觸式加工方法，其具有極高的峰值功率，可以在極短的時間內將所有的激光能量注入極小的加工區域，實現對材料的非熱熔性加工，有效避免了重鑄層、熱影響區和熔渣對加工區域的不良影響。飛秒激光具有較高的峰值功率，而且還有極短的作用時間以及非線性加工等特點，其瞬間產生的高能量可以改變電子的吸收方式和運動方式，進而從根本上改變激光與材料作用的機理，實現高質量、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構加工技術。
微透鏡是微光學中最為基礎的成像和聚焦器件之一，其在集成光學成像領域具有重要的應用，在光通信、波前傳感、光束整形和液晶顯示等領域也有著十分廣泛的應用。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用于眾多領域。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，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。由于硫系玻璃中有大量不穩定的化學鍵，在高能激光作用下會發生折射率變化、微形變等效應，這些效應可用于實現光存儲，所以硫系玻璃也可以被用來實現微米級的折射微光學器件。直徑為17 μm、焦距為100 μm的微透鏡陣列如圖4所示，其中每個凹面微透鏡由100 Hz重復頻率的單一激光脈沖產生，形成均勻的虛擬焦點陣列和字母“IP”的虛擬像，展現出良好的成像效果。
圖4 微透鏡陣列及其虛焦點陣列和字母“IP”的虛像陣列
為了獲得良好的透鏡表面形貌和質量，在2020年，Zhang等將飛秒激光輔助化學蝕刻（FLACE）與精密玻璃成型工藝相結合，采用FLACE方法在硬質耐高溫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量，在波長為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）通過激光照射在BK7玻璃上產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制備透鏡，紅外聚合物也可以用來制備高性能的透鏡。
復眼
復眼是自然界中常見的一種視覺器官，常見于節肢動物中，其具有極高的視場角、低像差、低失真、高時間分辨率、高空間分辨率和無限景深等優點，近些年受到較大的關注。雖然光刻技術已經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眼卻很困難。目前，飛秒激光制造已成為在各種材料上構建任意和復雜三維結構的一種強大的方法。
利用飛秒激光制備復眼的技術有很多，受蚊子功能性六角形復眼結構陣列的啟發，2018年Lin等提出利用超快激光直寫技術并通過多脈沖能量漸變的方式，來制備復眼結構。制備復眼的方法除了超快激光直寫，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，用于在彎曲藍寶石襯底上快速制造人造復眼。凹型透鏡和復眼的制備如圖6所示。
圖6 凹型透鏡和復眼的制備：（a）采用DE-FsLM制作藍寶石凹面微透鏡方案；（b）藍寶石凹型復眼模板和K9玻璃復眼制作示意圖
而后，基于復眼結構的超疏水表面的制備技術和性質，在2020年，Liu等提出了可以利用不同于玻璃和藍寶石襯底的材料來制備紅外人工復眼結構，采用熱塑性紅外高分子材料制備了三維紅外人工復眼（ACE）光學元件。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
制備復眼的方式有很多，除了上述方法，在2019年，Jin等通過飛秒激光制備用于大規模生產人工復眼的三維模板，提出了一種利用飛秒激光直寫制作的光聚合物模板大規模生產3D人造復眼的高效方法。
光柵
光柵是一種具有周期性結構的分光元件，被廣泛應用于分光儀器和光譜分析系統中。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構而制成，具有大寬帶、高衍射效率和高損傷閾值等特性。透射光柵能夠簡化光學系統、降低調制難度且成本較低，因此在電子通信、生物醫療和微電子器件等領域有很好的應用前景。與其他透明材料相比，二氧化硅玻璃性能優異，是制備透射型玻璃光柵的理想材料之一。光柵的形成過程主要是激光燒蝕過程，在平面光柵的制作中，表面浮雕光柵是由藍寶石激光器單次發射的兩個脈沖干涉形成的。光柵制造過程中是用恒定速度移動襯底，并與激光脈沖重復頻率同步的，這種制作方法可用于各種透明介質材料。
為了實現能集成在多模中紅外硫系光波導末端或用于化學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現這些實際應用。2021年，Chen等提出了一種基于光纖表面波導和布拉格光柵的光纖傳感器，用于同時感知折射率（RI）和溫度。器件的兩種FBG顯微鏡圖像如圖8所示。所制備的裝置結構緊湊、堅固耐用、操作方便。
圖8 設備原理圖
光波導結構能夠將光場限制在微米級截面的通道內以無衍射的方式傳輸，保證了腔內相對較高的光密度，并使塊體材料原有的光學性質在波導中得到一定程度的增強。光波導是高性能集成光子學器件的基本結構，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、傳感等領域有重要的應用價值，一直是集成光子學領域的一個研究熱點。
圖9 包層波導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，可以解決光束空間質量問題。
圖10 在二氧化硅和樹脂中制備光子晶體
圖11 空間濾波示意圖
光纖光柵
飛秒激光作為一項先進的微納加工技術，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的精密結構。因此研究使用飛秒激光在光纖內部制備光柵，其具有重要的意義。自從希爾等在近40年前首次演示以來，FBG已經成為幾乎所有基于光纖的光纖網絡和傳感器系統的不可或缺的組件。隨著技術的進步，制備光柵的方法也越來越簡化。不僅在普通光纖中能制備光柵，FBG還可以在光子晶體光纖中來制備，由于包層區域存在氣孔以及吸收過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，用來進行結構健康監測和微波信號處理。
飛秒激光作為一種新型的微納加工技術，具有脈沖短、峰值功率大、加工精度極高和“冷加工”等優勢，被廣泛應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，加工出來的結構精度不高表面較粗糙，且在加工時嚴重依賴工具，工具一旦有問題就會嚴重影響器件的精度，所以無法實現高精度制備；又如電子束刻蝕雖然可以實現較高的精度，但這種方法依賴于昂貴的掩模，制作工序復雜，對工業加工應用來說經濟性和適用性不高。相比之下，飛秒激光以及結合不同的方法來制備表面型紅外器件和內部型紅外器件，能夠實現較高的精度和較為簡單的加工工序，使得如今飛秒激光制備的紅外微光學元器件應用范圍和領域越來越廣泛且全面，在工業、醫療等微加工領域等都具有廣泛應用。總結了包括使用不同材料、不同制造方法制備紅外器件的發展，在材料上有紅外半導體、硫系玻璃及紅外聚合物等；在方法上有飛秒激光誘導化學刻蝕，飛秒激光輔助濕法刻蝕，飛秒激光輔助干法刻蝕，超快激光直寫技術并通過多脈沖能量漸變的方式，結合三維納米壓印技術，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微爆炸法等。雖然介紹的方法滿足制備器件的需求且經濟價值高，但是仍存在一些問題，比如制備的器件精度要求更高，需要繼續探索新的制備方法和制備手段，飛秒激光結合其他更多的技術比如飛秒激光結合多光子電離或飛秒激光結合傳統工藝，改變激光參數等手段，朝著更高精度、更簡單、工藝更成熟的方向發展。相信在未來，研究者也會不斷學習，充分利用飛秒激光技術的優勢，探索新的方法，在不同材料上制備出性能更加優異的紅外器件，應用于更寬闊的領域。
DOI: 10.3788/LOP223127
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