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  • 飛秒激光制備微光學元件及其應用

    作者:曹小文、張雷等 來源:中國激光 時間:2019-05-22 08:49 閱讀:2244 [投稿]
    飛秒激光加工是一種無接觸、高精度的微納光電器件加工方法,具有環境要求低、對材料無選擇性、加工靈活、精度高等特點,可以在幾乎任意材料上實現超衍射極限和高復雜結構加工,極大豐富了微光學元件的制備種類。

    飛秒激光燒蝕加工與雙光子聚合加工不同,它主要是通過去除材料表面或內部微納米級的部分來實現微納米結構的構型。飛秒激光燒蝕材料時,電子與聲子進行耦合時激光作用就已經結束,因而幾乎沒有熱影響區,能實現高精度、高質量加工,如圖3(a)所示。


    圖3 (a) .超短激光脈沖與材料相互作用; (b) 高斯光束的燒蝕閾值

    飛秒激光能量密度分布一般為高斯型,只有當激光能量超過材料的燒蝕閾值時,才能進行燒蝕加工,如圖3(b)所示。2004年,Joglekar等將飛秒激光聚焦在玻璃表面,加工出線寬約30 nm的納米凹槽。

    由此可見,飛秒激光直寫技術可以實現多種材料、多種方式的超精細加工,在微光學元件制備領域具有廣泛的應用前景,可為微光學元件的制備提供強有力的支持。

    微光學元件的

    飛秒激光制備

    飛秒激光直寫技術作為微光學元件的重要制備方法,具有廣泛的應用前景。利用飛秒激光直寫技術可以實現常規光學元件微小化,多種材料的飛秒激光直寫,并且無需掩模板,具有真三維、設計自由度高、加工精度高等優點。近年來,研究者們已經利用該方法在多種材料上制備出各種類型和功能的微光學元件,主要包括折射型光學元件、衍射型光學元件、波導和光纖光柵、微腔元件等。

    折射元件

    透鏡是一種很重要的折射元件,也是使用范圍最廣的光學元件。透鏡最基本的功能是用來成像,除此之外,還可用于光束準直、光束整形等方面。隨著各種儀器設備向微小型化發展,透鏡也由宏觀走向微觀。單個微透鏡可以將光信號與光纖耦合,實現功能上的集成,同時也是各種微小設備必不可少的部件。在微透鏡的加工方面,傳統的加工方式已逐漸不適用。

    飛秒激光具有超高精度的加工能力,同時可以靈活地進行真三維加工,甚至可以在透明材料的內部直接加工,在微透鏡的加工領域越來越常用。研究者們在各種材料、表面和內部進行了探索,實現了多種形式微透鏡的加工。

    2010年,Qiao等利用飛秒激光在熔融石英芯片內進行微加工,實現微透鏡與微流控通道的集成。通過微透鏡和微流控通道的集成,在通道內實現了5倍的放大成像,這一技術在芯片實驗室裝置的應用上具有巨大潛力。

    2011年,Qiao等將這種微透鏡用于生物組織的成像,發現其成像效果可以和同倍數的商用顯微鏡相媲美,顯示出飛秒激光加工微透鏡在生物成像和生物傳感方面的應用前景。

    2015年,Zheng等利用飛秒激光的熱累積燒蝕技術在PMMA內部加工出腔微球透鏡。該項技術與傳統的表面加工相比要簡單、快速,同時有效焦距和視場等光學參數都可以在很大范圍里調控,將來可應用于集成光流控芯片、光機電系統、太陽能電池和微廣角傳感和成像等領域。

    2016年,Antipov等利用飛秒激光在單晶藍寶石的兩面各加工一個微凹透鏡,實現了X光在二維方向上聚焦,將三個這樣的微凹透鏡組疊在一起,可以使聚焦的尺寸更小。由于藍寶石具有優良的熱學和光學性能,藍寶石微透鏡將成為聚焦X光的主要元件。

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