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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:2245 [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。

    2014年,Wu等利用飛秒激光直接加工出人工復眼結構,如圖6所示,實現無失真寬場成像。隨著微加工技術的提升,小尺寸、高性能的人工復眼能夠和光電微接收器或光學器件集成,大大擴展其應用范圍,例如廣角通信的天線、集成光路等。


    圖6.(a)(b) 自然界中的復眼; (c)(d) 人工復眼

    衍射元件

    衍射元件中比較常見的是菲涅耳透鏡和光柵。菲涅耳透鏡是一種非常重要的平面光學元件,和普通透鏡不同的是,它是通過衍射來實現光束聚焦和成像功能。傳統的光刻工藝對于制作二階甚至四階的菲涅耳透鏡已經非常成熟,由于加工過程需要掩模板、加工工藝復雜,只適用于大批量的生產。飛秒激光以其高加工精度和加工靈活性,在菲涅耳透鏡集成加工方面具有重要應用。

    2015年,Komlenok等利用飛秒激光燒蝕,在硅表面加工出適用于太赫茲波段的四階菲涅耳透鏡。經測試,在141 μm激光下的衍射效率為35.9%。實現了飛秒激光加工有效的多階太赫茲衍射光學元件的目標。

    2016年,Li等結合飛秒激光燒蝕和化學腐蝕的方法,在藍寶石表面加工出表面質量非常好的菲涅耳透鏡,表面粗糙度僅為12 nm。由于具有高硬度、良好的熱學和化學穩定性及高的紫外透射率,藍寶石菲涅耳透鏡在紫外微光學領域具有重要的應用前景。

    飛秒激光除了能在常規的聚合物和無機材料表面制備單個菲涅耳透鏡之外,也可以和微透鏡陣列一樣,實現菲涅耳透鏡陣列的制備。還能夠在特殊材料上,如蛋白質,制備菲涅耳透鏡,擴展微光學元件在生物領域的應用。

    飛秒激光同樣適合用來加工光柵,這是由于精心設計的光柵非常復雜,往往需要較高的加工精度。

    2016年,Xiao等利用飛秒激光聚合加工,用IP-Dip光刻膠在載玻片表面加工出復雜的二光柵結構,實現太陽光譜中的可見和近紅外光的分離。提高飛秒激光的加工精度,能夠極大地提升元件的性能,同時能在相同的面積上集成更多的太陽能子電池。

    波導和光纖光柵

    光波導在光學系統中起著傳導光信號的作用,在微光學系統中應用十分廣泛。光學信號可以被光波導限制住,并沿特定的路線進行傳播。飛秒激光加工靈活,可以加工出任意形狀的光波導,特別適合于透明材料內部、現有器件上集成加工等。

    由于飛秒激光加工非常靈活,除了直寫單一的光波導外,更大的優勢在于在三維空間加工特殊形狀的光波導,實現信號分束等功能。

    2014年,He等利用飛秒激光直寫技術,在Bi4Ge3O12(BGO)晶體內部加工出三維光波導,波導處折射率增加5×10-3。這種光波導可以允許4 μm的TE和TM基模光通過,其傳輸損耗和分束損耗分別為4 dB/cm和0.3 dB,分出來的光束基本均等。通過這種手段,能在BGO晶體內部加工出復雜器件,并應用于中紅外光中。

    傳統的光波導通常在光刻膠或硬質上加工,限制了其在某些領域的應用,如生物領域。蛋白質(及衍生物)是基于生物聚合物形成的,具有良好的生物/環境相容性,基于蛋白質的光波導在生物領域具有重要應用。

    2016年,Sun等利用飛秒激光聚合牛血清蛋白加工出基于蛋白質的多模干涉耦合的光學微分束器(P-MMIs)。P-MMIs在環境友好型生物聚合物光學、多路高輸出光學生物傳感、光流控生物芯片中具有巨大的應用前景。

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