火狐体育首页进入:综述：飞秒激光加工方法及其在光学器件制造中的应用

　　据悉，本文综述了激光直写、基于空间光调制器的制造和基于干涉的方法的特点和发展。

　　飞秒激光制造技术在表面和体积处理方面的独特优势使其成为制造基于具有多种功能的复杂三维结构的光学和光子器件的最强大工具之一。在本文中，我们重点介绍了飞秒激光制造技术的最新进展及其在不同领域（如纳米技术、软机器人、光学和光电子）的广泛应用。本文综述了激光直写、基于空间光调制器的制造和基于干涉的方法的特点和发展。此外，还总结了与制造尖端光学器件（包括微透镜阵列、微/纳米光栅、光子晶体和光纤）相关的典型应用和方法。最后，讨论了该技术当前面临的挑战和新兴趋势。

　　光学、纳米光子学、光电子、生物医学工程和仿生学的快速发展对微/纳米器件的制造提出了更高的要求。光刻技术（例如基于紫外线固化、电子束和X射线的技术）、注射成型和纳米压印技术已成功用于绘制具有优异性能的小结构。然而，这些方法存在复杂的三维（3D）制造过程、无法在给定材料中集成多个组件以及表面设计的限制。飞秒激光技术作为一种新的制造工具，具有高精度、灵活性、无掩模加工以及能够加工多种材料的优点。它可以促进亚微米特征尺寸的灵活高效三维制造，更好地满足特定应用的要求，从而进一步推动功能化、小型化和集成化的发展趋势。

　　（A）飞秒激光写入和部分交联甲基丙烯酸明胶（GelMA）内相关材料改性的工艺流程示意图。随着激光剂量的增加，部分交联凝胶从致密化到烧蚀再到不稳定状态。（B） GelMA结构中心fs激光写入特征的亮场和荧光图像（俯视图和横截面图）。（i，iv，vi，viii）表示致密化，（ii，v，vii，ix）表示烧蚀，（iii）表示不稳定气泡形成。（C）不同紫外线秒）下改性宽度与激光剂量的材料改性相图。（D）激光穿透深度和修正线宽之间的关系。

　　飞秒激光的发明改变了微小结构，出现了超快物理过程，为物理、化学、生物和医学工程领域的基础研究和实际应用提供了精密仪器。飞秒激光的超短脉冲持续时间和超高峰值功率为科学实验研究提供了前所未有的极端物理条件，例如高时间分辨率、高电场和磁场强度、高压和高温。由于这些特点，飞秒激光主要应用于两个领域：基于飞秒时间尺度的时间分辨光谱学和基于高激光功率密度的材料微加工。

　　由于飞秒激光的峰值功率达到1020 W/cm2，产生的电磁场强度超过原子核周围电子的库仑场强度，因此它可以在比晶格热扩散（10-12 s尺度）更短的时间内将能量注入材料的高度空间选择区域。这开辟了相关的研究领域，如受控核聚变、激光等离子体物理和激光微/纳米加工。在材料的微观改性过程中，飞秒激光的高集中能量可以剥离原子核周围的电子。此外，由于飞秒激光的非线性效应，包括多光子吸收和多光子电离，实现了高度空间选择性的微结构修饰，从而赋予材料独特的光学功能。近年来，越来越多的研究集中在微透镜阵列、光子晶体、光波导和光栅的微机械加工上，这大大促进了微纳光学系统、微光传感器和其他器件的发展和应用。

　　本文综述了飞秒激光微加工的最新进展，特别强调了系统的光学和在光学器件上的应用。

　　为了有效地实现基于激光的处理以构建具有所需分辨率的结构，有必要了解飞秒激光与材料相互作用的基本物理机制。对于飞秒激光烧蚀材料，已全面研究了一种热损伤模型，该模型侧重于样品中杂质和缺陷引起的热损伤。根据该模型，材料热诱导损伤的阈值与脉冲宽度的平方根成正比，并受材料的固有参数（如熔点、热膨胀系数、导热系数和抗拉强度）的影响。

　　尽管飞秒激光与材料相互作用的模型和解释多种多样，但大多数模型和解释仅揭示局部动力学，以使特定实验现象合理化。直接可视化飞秒激光与材料相互作用过程的动力学演化对于建立精细和多功能飞秒激光微加工的完整理论基础至关重要，值得更多关注。

　　飞秒激光微加工可分为两种类型：（i）飞秒激光直接写入和（ii）飞秒激光并行微/纳米加工。由于微加工的横向分辨率与物镜的数值孔径成反比，因此可实现的分辨率随数值孔径的增加而增加。然而，在具体应用中应考虑工作距离和分辨率之间的权衡。例如，对于表面处理，可以采用具有大数值孔径的油浸物镜来提高分辨率，而对于在需要长工作距离的厚样品（如光波导和微流控通道）内进行的三维加工，使用数值孔径约为0.5的物镜是合理的。

　　同时，飞秒激光聚焦光斑的横截面通常是椭圆的，具有较大的纵横比，导致轴向分辨率较低，难以满足应用中的圆形截面要求。在物镜前放置平行于扫描方向的狭缝可以大大降低空心微通道的纵横比。然而，利用飞秒激光能量的效率较低，狭缝的方向应随扫描方向调整。He等人通过飞秒激光脉冲的时间聚焦来控制微流控通道的横截面。飞秒脉冲的同时空间和时间聚焦是通过在脉冲进入物镜之前在空间中分离飞秒激光脉冲的光谱成分，然后在物镜的空间焦点处重叠来实现的。最短的脉冲持续时间仅限于空间焦点，有利于对称的球面光强分布和提高轴向分辨率。同时，该方法可用于实现高分辨率的大规模飞秒激光微加工。相反，为了在微流体中的一些潜在应用，有必要提高空心微通道的纵横比。

　　通过飞秒激光直接写入来制造二维（2D）和三维微结构通常以两种方式实现，要么通过移动三维变换台，要么通过与变换台组合的电流计。前一种方法适用于阵列加工和不严格要求高精度的应用。通过贝塞尔光束的线扫描可以提高效率。然而，实现大规模复杂微结构的快速灵活微加工仍然非常缓慢。

　　垂直极化写入的蚀刻微通道激光器（a）底部和（b）侧壁的SEM图像以及相应的AFM图像（c）和（d）。

　　由于高功率、高重复频率和小型化飞秒激光器的高度发展，采用扫描电流计和压电元件实现轴向和横向的高通量和高分辨率微加工，这有利于飞秒激光微加工的商业化。此外，飞秒激光直写正在成为构建具有三维梯度密度的大规模多功能智能材料的吸引人的工具，可广泛用于处理四维（4D）智能传感器、执行器和软机器人。水凝胶是一种具有高生物相容性和可变形性的软材料，广泛应用于生物医学、软传感器和软机器人。通过编程聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶中每个打印体素的扫描路径、步长和曝光剂量，Sun等人定制了3D梯度交联密度，并灵活控制微观结构的3D形态和3D互连网络，以制造3D微致动器（图1a）。类似地，Duan等人通过调整飞秒激光脉冲剂量来构建4D可重构微机械来调节智能刺激响应水凝胶的交联密度、刚度和变形程度（图1b）。这些研究表明，飞秒激光智能处理在4D智能微机器人开发中具有巨大潜力。

　　图1具有三维梯度密度的智能材料的设计原理和飞秒激光制造。（a1）允许可逆变形的双3D飞秒激光纳米加工技术的示意图。（a2）利用双3D纳米制造技术设计和加工智能微流体。（b1）可重构复合微机械的4D飞秒激光制造示意图。（b2）通过交联密度调制设计智能微锥驱动器。

　　为了使复杂微结构的制造更加高效和灵活，人们开发了各种方法，包括通过光学调制和衍射的多焦点并行处理、结构光、基于数字微镜器件（DMD）的光刻和液晶空间光调制器（LC-SLM）。其中，基于DMD和SLM的方法可以动态调整处理图形以满足大多数应用的需要，并得到了广泛的应用。同时，可以通过时空同步聚焦方法实现亚微米分辨率的跨尺度高通量处理。

　　光片可以通过DMD调制成任意2D图案，从而实现大规模微结构阵列的高通量处理。值得注意的是，DMD上的光片辐照度应形成空间均匀的平头光束。同时，由于飞秒激光的高相干性，DMD上的微镜阵列也可以用作衍射光栅。在不需要超分辨率的应用中，可以选择中等放大率的物镜，以获得更大的视野和图案区域。由于DMD的独特优势，基于DMD的飞秒激光处理具有高通量、高对比度、快速响应和易于使用的特点。在图案化处理方面，已经证明了复杂微结构阵列的单脉冲制造。该方法的制造效率显著提高，同时特征尺寸保持在波长尺度。最近，提出了一种新的基于DMD的时空同步聚焦成瘾制造方法（图2a1）。这种方法可以实现具有超分辨率的任意复杂三维结构的高通量并行加工。与现有TPP技术相比，打印速度高1000倍，轴向分辨率可达175 nm，如图2（a2）所示。

　　然而，入射激光在DMD上的衍射会导致显著的能量损失，这使得飞秒激光的功率显著较高。例如，当波长为800 nm的飞秒激光在DMD表面上的入射角为57°且燃烧角为33°时，m=5阶的燃烧光束的能量为入射激光束的75%。此外，由于激光从DMD表面反射，以及由于微镜之间的间隙导致的能量损失，照射样品的激光能量低于44%。

　　LC-SLM代替DMD的幅度调制，通过改变液晶的分布来调制光场的相位，并且LC-SLM的光能利用率更高。LC-SLM与飞秒激光的结合是由Tokushima大学的研究人员首次提出的。作为一种灵活的微图案化方法，近年来，基于SLM的飞秒激光加工引起了广泛关注。改进了全息算法和制造方法，以获得所需的图案化光束，从而提高基于LC-SLM的飞秒激光处理的精度、效率和分辨率。结构化激光微加工为构建特殊微结构提供了快速灵活的解决方案。利用光强分布的规律性和可控参数的多样化，通过相位SLM产生马太光束来制备复杂微笼，如图2(b1)和(b2)所示。利用无衍射高质量光束，对各种形状的贝塞尔光束进行调制，以制造高深宽比微管、空心微螺旋结构和手性旋转微结构。

　　利用飞秒激光对周期结构进行微加工在仿生机器人、光子晶体和高密度信息存储等领域显示出巨大的潜力。由于在整个脉冲持续时间内具有良好的相干性，飞秒激光干涉为微加工提供了足够的能量密度。为了使系统简单、稳定和适用，提出了涡旋光束和平面波的同轴干涉来产生三维螺旋光场，并在各向同性材料中实现了手征微结构，如图3（a1）、（a2）和（a3）所示。为了高效灵活的表面图案化，提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的飞秒激光时空干涉方法，并通过SLM控制相位差，可以使用单个激光脉冲在大块材料上实现定制设计的灰度图案化（图3b1、b2和b3）。直接飞秒激光干涉图案化已被用于纳米颗粒尺寸分布裁剪、多功能金属表面修饰等。飞秒激光干涉具有单步处理、高效率、周期可控等优点，是构建周期性功能微纳结构的宝贵工具，可广泛应用于信息存储、生物医学工程和超材料。

　　由于体积小、成本低和独特的光学性能，微透镜阵列在光调制、光学传感器和光学系统集成等领域发挥着不可替代的作用。基于飞秒激光的微透镜制造方法可分为三个主要分支：减法制造、增材制造和激光诱导改性。

　　为了使用飞秒激光在硬材料上实现微透镜阵列的减法制造，需要额外的辅助技术来生产具有光滑表面和高成像性能的微透镜，如图4（a）所示。在随后的湿法蚀刻（如HF溶液）和干式蚀刻的辅助下，飞秒激光烧蚀可以在平面上加工大规模凹微透镜阵列、透镜阵列上的透镜和平凸圆柱微透镜阵列，以及在凹表面上基于3D光修改的凹微透镜阵列。最近，由TPP制造的仿生蛋白质基微透镜在受到外部刺激时显示出动态可调焦距、独特的拉伸性、良好的生物相容性和生物降解性，如图4（b）所示。通过干法蚀刻辅助飞秒激光加工制成的微透镜的表面粗糙度约为1.5 nm，这为应用于需要高成像性能的集成光学系统提供了潜力。

　　微透镜阵列广泛应用于并行微加工、光学成像和照明。为了满足内窥镜、照明系统和微型机器人等仪器的高光学性能和功能，采用飞秒激光多光子光刻技术制造了超紧凑型多透镜物镜阵列。对于光束整形，具有双轴双曲面和旋转位移的双面微透镜阵列具有较高的均匀化性能。由于其优异的性能（即大视场、高光学性能、小体积、可调焦距和易于与其他系统集成），微透镜阵列在许多应用中显示出巨大的潜力，包括在灵活和可拉伸的光子学和光学、冲击和多功能芯片实验室、智能机器人和生物医学设备中。

　　基于飞秒激光的微纳加工的一个有吸引力的应用是光栅加工。最近提出了几种新方法，包括飞秒激光直接写入、直接激光干涉图案化、激光诱导周期性表面结构（LIPS）等。通过直接激光写入，飞秒激光相位掩模技术和熔合拼接技术被用于处理相移光纤光栅。使用飞秒激光过度曝光技术，用飞秒激光刻写高反射负折射率光栅[90]和高双折射光纤布拉格光栅。此外，通过飞秒激光诱导PEGDA水凝胶内的银离子光还原来制作可收缩的银衍射光栅。使用高分辨率飞秒激光直接激光写入技术可以灵活地制作各种尺寸和形状的光栅，但效率较低。直接激光干涉图案化和LIPSS是在表面高效形成微纳尺度光栅的简单且广泛使用的方法。

　　光子晶体的特殊三维介质结构可以产生带隙，以防止特定频率的电磁波传播。这种独特的功能相当于半导体晶体的光学模拟，实现了集成光子学，提高了光子晶体在波导、通信、激光器和激发分子化学反应中的应用潜力。飞秒激光以其高精度、高效率、三维处理能力和无污染等优良特性被应用于光子晶体加工。近几十年来，人们对利用飞秒激光制作光子晶体进行了大量的研究。

　　最近，实验证明了通过飞秒激光选择性擦除来制造三维铌酸锂非线性光子晶体，并使用飞秒激光通过非线性全息实现了非线性光束整形，与传统二维技术相比，制造效率提高了两个数量级。此外，通过飞秒激光畴反转制备了沿任何方向具有非线性相位匹配的三维光子晶体。铁电钛酸钡钙三维光子晶体的全光极化是为了在具有非标准晶体取向的晶体内实现畴反转。铁电钛酸钡钙三维非线性光子晶体用于证明非线）。三维非线性光子晶体可以在非线性波前整形过程中提供所有空间自由度的相位失配补偿，这为光束的光学调制提供了潜力。然而，具有可用于可见光的带隙的三维光子晶体的制造、在可选位置引入特定缺陷、高效光子传导材料的制造以及光子晶体上的电流和电压负载仍然是一个挑战。

　　由于光纤直径小，材料透明，光纤上使用的加工技术必须精确可靠。与化学气相沉积（CVD）、等离子体化学气相沉积（PCVD）和轴向气相沉积（VAD）等传统处理方法不同，飞秒激光直写可以实现高效率、零污染和三维精密加工，从而可以控制组件的形状和尺寸，这可以大大提高光纤的性能。因此，飞秒激光直写已成为光纤加工、特种光纤创新和应用的重要途径。

　　可以在光学成像光纤的末端制造可应用于微型光学仪器的具有高光学性能的超小型多透镜物镜（图6a）。在光纤实验室方面，通过飞秒激光直接写入（图6b），并辅以选择性化学蚀刻，将三维光学电路和微流控系统集成在单模光纤中。在这种多组分光纤传感器中，在单模光纤中处理了三维波导、X耦合器、布拉格光栅、mciroholes、反射镜、光流体元件和微流体结构。在大块熔融石英中，元件的表面粗糙度可以达到10 nm，为光纤开发中的3D实验室铺平了一条新路。飞秒激光和光纤的结合为光学器件和微流控器件的表面和亚表面制造提供了独特的方法，允许集成到光学平台上，此外，具有不同物理、化学、机械和生物特性的各种材料可以集成到光纤上。因此，光纤的制造和应用前景广阔。

　　材料对飞秒激光的吸收是非线性且与材料无关的，这使其成为在纳米级精度的复合衬底中制造复杂三维结构的宝贵工具。在现代激光技术飞速发展的同时，时空光束整形技术与并行处理技术相结合，可以解决分辨率、生产率和材料方面的挑战。利用智能材料进行三维/四维智能执行器和微机器人的三维微加工是一个成功的新兴应用。通过飞秒激光处理将光学器件与其他组件一步集成对于新型器件和应用具有吸引力。硅衬底上的有源光子集成以及集成器件上的电流和电压负载是阻碍飞秒激光加工实际应用的潜在问题。此外，通过基于飞秒激光的增材制造来制造具有数十纳米到厘米多尺度尺寸的可扩展超材料是另一个成功的新兴应用。虽然已经探索了飞秒激光构建的微/纳米结构的应用，但相关研究尚未系统化。为了揭示飞秒激光加工在机械、电子、生物传感器和驱动、物理和化学领域的巨大潜力，需要进一步的探索和研究；例如，需要全面的模型和方法改进，以及相应测量系统的改进。