飛秒雷射的「妙手」之下，微光學元件實現功能多樣化

鄭家鑫，劉學青/吉林大學電子科學與工程學院

隨著半導體行業微細加工技術的發展，通過小型化和在小範圍內組合各種功能，產生出許多具有新特性的新應用，並且隨著信息化時代的發展，要求完整的信息系統需要在一個儘可能小的空間內能夠實現儘可能多的功能，這就促使著光學系統必須小型化，光學元件必須微型化，以處理光學、雷射等領域的新應用。

微光學元件無論是現代國防科學技術領域，還是普通的工業領域都有很廣闊的應用前景。在軍事領域被用於研製生產如熱成像裝置、紅外掃描裝置、飛彈引導頭、微光夜視頭盔以及各種變焦鏡頭等軍用光電系統。在普通民用領域中，自由非球面零件可以大量地應用到各種光電成像系統中，如攝像機的變焦鏡頭、各種顯示系統以及醫用內窺鏡等。

隨著人們對微光學元件的不斷研究，提出了多種製備方法，如雙光子聚合、半導體光刻工藝、電子束刻蝕、金剛石車削、飛秒雷射直寫以及輔助刻蝕等。然而這些方法都分別存在著加工效率低、難以製備三維結構、成本高、精度較低等缺點。

飛秒雷射直寫雖然對材料無選擇性、對環境要求低、製備精度高，並且可以實現任意三維結構的製備，但是通過飛秒雷射直寫出的結構表面粗糙度往往較高，難以符合人們對光學元件表面低粗糙度的要求。而通過後續刻蝕工藝的處理，可以實現一個理想的表面粗糙度。

因此，飛秒雷射輔助刻蝕的工藝就進入了人們的視野，研究人員利用此方法在多種材料表面以及內部製備出了功能多樣的微光學元件，使得微光學領域得到了迅猛的發展。

飛秒雷射加工特點

飛秒雷射是脈衝寬度為幾飛秒到幾百飛秒的脈衝雷射，飛秒雷射加工的重要特點是大大減少了熱能向加工區域的擴散，顯著降低了熱影響區的形成，從而對軟材料和硬材料都可實現加工，即對材料無選擇性。

同時，抑制熱能向周圍區域的擴散也為高精度的加工提供了必要的前提。並且由於加工的自由度高，所以可實現任意複雜三維結構的製備。

此外，飛秒雷射加工還有一重要的特點是能夠引發非線性吸收，使原本對於光透明的材料發生強烈的光吸收。多光子吸收過程使得飛秒雷射不僅可以對透明材料表面進行加工，還可以對其內部進行三維加工。圖1展示了誘導材料電子激發的單光子和多光子吸收過程。

圖1 飛秒雷射加工原理

刻蝕輔助飛秒雷射加工

通過飛秒雷射直寫出的結構表面粗糙度往往較高，難以符合人們對於光學元件表面低粗糙度的要求，為此，結合後續刻蝕工藝對結構表面質量進行改善就顯得十分必要了。

刻蝕輔助飛秒雷射工藝的基本原理是通過雷射使得材料發生改性，從而實現雷射作用區域刻蝕速率的改變，並根據改性區刻蝕速率的加快和減慢，分別使其在後續的刻蝕工藝中充當去除區域或是刻蝕掩膜區，並通過雷射焦點的掃描來形成三維的改性區，低功率的雷射改性配合後續刻蝕工藝的作用，可以方便實現任意三維微光學元件高平滑度的高效製備。

刻蝕輔助飛秒雷射工藝主要分為溼法刻蝕輔助飛秒雷射加工和幹法刻蝕輔助飛秒雷射加工兩種。

溼法刻蝕輔助飛秒雷射加工微光學元件主要包括三種方法（圖2）：飛秒雷射加工輔助掩膜和無掩模的溼法刻蝕技術、飛秒雷射正置倒置液體輔助加工方式。

圖2 飛秒雷射輔助溼法刻蝕 (a) 無掩模； (b) 掩膜；(c) 液體輔助

幹法刻蝕輔助雷射加工製備微光學元件大致上也可分為三類：雷射加工輔助掩膜以及無掩模的幹法刻蝕、刻蝕輔助飛秒雷射無掩模灰度直寫工藝，如圖3所示。

常用的幹法刻蝕系統有離子束刻蝕、反應離子束刻蝕和感應耦合等離子體刻蝕等。離子束刻蝕是一種單純利用物理轟擊進行刻蝕的工藝，優勢在於對材料無選擇性，可用各種材料進行處理。在反應離子刻蝕和感應耦合等離子體刻蝕過程中包括兩種同時發生的過程：物理濺射、離子反應。由於過程中化學反應的參與，可實現橫向刻蝕並極大地提升了刻蝕的速率。

圖3 飛秒雷射輔助幹法刻蝕 （a）掩膜 ；(b) 無掩模；(c) 無掩模灰度加工

可加工的微光學元件

微光學元件，指面形精度可達亞微米級，表面粗糙度可達納米級的自由光學曲面及微結構光學元件。

微光學元件具有體積小、重量輕、設計製造靈活、製造成本低、易於實現陣列化和批量化生產等優點，能夠實現普通光學元件難以實現的微小、陣列、集成、成像和波面轉換等新功能，在人工智慧、光纖通信、雷射雷達、信息處理、航空航天、生物醫學、雷射技術等應用領域中具有重要的應用價值。

折射器件

雷射加工微光學元件中折射元件主要包括微透鏡、微透鏡陣列以及複眼結構三大類。其中微透鏡是最小的單元結構，其適用範圍最廣，是重要的折射元件。

透鏡的功能有很多，主要包括成像、光束整形與光束準直等，可廣泛應用於安防、車載、數位相機、雷射、光學儀器等領域。隨著市場的不斷發展，透鏡技術的應用也越來越廣泛。

2001年，研究人員首次在光敏玻璃內部進行了三維微光學器件的嘗試。他們利用飛秒雷射加工出改性區域，之後進行退火，最後利用10%的HF將雷射作用部分去除從而在光敏玻璃內部加工出了三維微光學元件，這對飛秒雷射輔助刻蝕加工微光學元件進行了初期的探索。

圖4 飛秒雷射輔助幹法刻蝕工藝實現人工複眼的快速製備

2019年，我們利用飛秒雷射加工結合幹法刻蝕工藝加工藍寶石複眼模板，如圖4。飛秒雷射在凹槽狀的藍寶石基板內加工出點陣，隨後用HF溶液刻蝕出凹透鏡曲面陣列，再利用高溫澆鑄轉寫的方式，成功在K9玻璃上實現了硬質複眼結構高效大面積的製備，在一個直徑為1 cm，高度為2.3 mm的複眼結構上有超過19萬個緊密排列的小眼，為硬質材料複眼結構的製備提供了方法。

衍射器件

常見的衍射元件主要有光柵結構和菲涅爾透鏡，除此之外光子晶體、超表面等結構也是利用衍射原理的元件。

2017年，我們利用飛秒雷射無掩模灰度直寫輔助幹法刻蝕技術，在矽表面製備了三維的菲涅爾波帶片結構。

該方法利用的原理為飛秒雷射作用過矽表面之後，雷射作用後的區域會發生氧化，並且隨著雷射能量、脈衝數等各參數的變化，氧化的程度也有所不同。在隨後的幹法刻蝕過程中，雷射作用過的區域成為掩膜版，與未加工的區域產生刻蝕速率差，從而利用幹法刻蝕轉寫出三維結構。氧化程度不同刻蝕速率也不同，因而形成了灰度掩膜，拓寬了矽在微電子、微光學和微機電系統中的應用。

圖5 飛秒雷射輔助溼法刻蝕工藝在YAG上實現光子晶體的快速製備

2018年，研究人員Airán Ródenas探究了硬質晶體納米結構製造的工藝，研究中發現相應的刻蝕工藝可以使得被雷射改性後的YAG和藍寶石晶體刻蝕速率得到大大提高，為人們在晶體材料上的雷射加工提供了方法。為了展示這項技術的潛力，作者在釔鋁石榴石中製作了亞波長衍射光柵，如圖5所示。

微腔器件

光學微腔在傳感、通信和雷射等領域都具有廣泛的應用前景。微腔主要是指尺寸在幾微米到幾十微米的微型圓盤，能夠使大量光限制在一個很小的空間裡，讓光與物質相互作用在其中並得到極大增強。其在非線性光學、光信號處理、傳感等領域具有重要應用價值，是現代光學中不可替代的角色。

2012年，上海光機所研究人員利用飛秒雷射直接寫入的3D特性，在熔融矽片上製作三維(3D)高品質因子回音廊的方法。該工藝主要包括飛秒雷射直寫和溼化學蝕刻形成獨立的微盤。採用CO2雷射退火，使微腔表面光滑。其品質因子高達1.07x106。

由於所加工出的微腔為無源器件，可以在其表面覆蓋一些增益介質來實現更高的光學輸出。在非平面內加工出高Q值的微腔，在基礎研究和生物、化學傳感應用方面具有重要應用。

圖6 飛秒雷射輔助溼法幹法刻蝕工藝在雙層鈮酸鋰薄膜上實現外部回音廊模式

傳統回音壁模式通過全內反射將光局域在光腔內部，只有很少一部分光場以倏逝波形式損耗。人們一直在尋求將光場局域在腔外的新方法，以增強光學模式的環境探測靈敏度及其與外界相互作用的程度。

2019年，研究人員通過飛秒雷射以及聚焦離子束加工方法在特製的雙層鈮酸鋰薄膜上製備出微盤結構，如圖6。再將中間二氧化矽緩衝層腐蝕掉。從而在上下微盤層中間形成一個納米級高度的水平狹縫。鈮酸鋰微盤腔的品質因子已達到100,000以上，其表面平整度優於1納米，這項工作也為研究微腔光學提供了一個新穎的平臺和手段。在此基礎上，腔光力學、非線性光學和光學檢測方面將有望得到更大的進展。

結束語

相較於傳統的光學元件，微光學元件在現代光學中具有重要意義，可實現的功能眾多，並滿足現代發展微型化的需求。

隨著科技的發展,對微光學元件的加工與應用提出了越來越高的要求,其製作加工已成為阻礙微光學元件快速發展的瓶頸問題，進而發展了多種微光學元件的製備技術。其中，刻蝕輔助飛秒雷射技術作為微光學元件的重要製備方法，具有廣泛的應用前景。

作者簡介

鄭家鑫，吉林大學電子科學與工程學院，碩士研究生

劉學青，吉林大學電子科學與工程學院，副教授

封面來源：www.jenoptik.com

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