火狐体育首页进入:总述：飞秒激光加工办法及其在光学器材制作中的运用

　　据悉，本文总述了激光直写、依据空间光调制器的制作和依据干与的办法的特色和开展。

　　飞秒激光制作技能在外表和体积处理方面的共同优势使其成为制作依据具有多种功用的杂乱三维结构的光学和光子器材的最强大东西之一。在本文中，咱们要点介绍了飞秒激光制作技能的最新进展及其在不同范畴（如纳米技能、软机器人、光学和光电子）的广泛运用。本文总述了激光直写、依据空间光调制器的制作和依据干与的办法的特色和开展。此外，还总结了与制作顶级光学器材（包含微透镜阵列、微/纳米光栅、光子晶体和光纤）相关的典型运用和办法。最终，评论了该技能当时面对的应战和新式趋势。

　　光学、纳米光子学、光电子、生物医学工程和仿生学的快速开展对微/纳米器材的制作提出了更高的要求。光刻技能（例如依据紫外线固化、电子束和X射线的技能）、打针成型和纳米压印技能已成功用于制作具有优异功用的小结构。但是，这些办法存在杂乱的三维（3D）制作进程、无法在给定资猜中集成多个组件以及外表规划的约束。飞秒激光技能作为一种新的制作东西，具有高精度、灵敏性、无掩模加工以及能够加工多种资料的长处。它能够促进亚微米特征标准的灵敏高效三维制作，更好地满意特定运用的要求，然后进一步推进功用化、小型化和集成化的开展趋势。

　　（A）飞秒激光写入和部分交联甲基丙烯酸明胶（GelMA）内相关资料改性的工艺流程示意图。跟着激光剂量的添加，部分交联凝胶从细密化到烧蚀再到不安稳状况。（B） GelMA结构中心fs激光写入特征的亮场和荧光图画（俯视图和横截面图）。（i，iv，vi，viii）标明细密化，（ii，v，vii，ix）标明烧蚀，（iii）标明不安稳气泡构成。（C）不同紫外线秒）下改性宽度与激光剂量的资料改性相图。（D）激光穿透深度和批改线宽之间的联系。

　　飞秒激光的创造改动了细小结构，呈现了超快物理进程，为物理、化学、生物和医学工程范畴的基础研讨和实践运用供给了精细仪器。飞秒激光的超短脉冲继续时刻和超高峰值功率为科学试验研讨供给了史无前例的极点物理条件，例如高时刻分辩率、高电场和磁场强度、高压和高温。因为这些特色，飞秒激光首要运用于两个范畴：依据飞秒时刻标准的时刻分辩光谱学和依据高激光功率密度的资料微加工。

　　因为飞秒激光的峰值功率到达1020 W/cm2，发生的电磁场强度超越原子核周围电子的库仑场强度，因而它能够在比晶格热扩散（10-12 s标准）更短的时刻内将能量注入资料的高度空间挑选区域。这拓荒了相关的研讨范畴，如受控核聚变、激光等离子体物理和激光微/纳米加工。在资料的微观改性进程中，飞秒激光的高会集能量能够剥离原子核周围的电子。此外，因为飞秒激光的非线性效应，包含多光子吸收和多光子电离，完成了高度空间挑选性的微结构润饰，然后赋予资料共同的光学功用。近年来，越来越多的研讨会集在微透镜阵列、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体系、微光传感器和其他器材的开展和运用。

　　本文总述了飞秒激光微加工的最新进展，特别强调了体系的光学和在光学器材上的运用。

　　为了有效地完成依据激光的处理以构建具有所需分辩率的结构，有必要了解飞秒激光与资料相互效果的根本物理机制。关于飞秒激光烧蚀资料，已全面研讨了一种热损害模型，该模型侧重于样品中杂质和缺点引起的热损害。依据该模型，资料热诱导损害的阈值与脉冲宽度的平方根成正比，并受资料的固有参数（如熔点、热膨胀系数、导热系数和抗拉强度）的影响。

　　尽管飞秒激光与资料相互效果的模型和解说多种多样，但大多数模型和解说仅提醒部分动力学，以使特定试验现象合理化。直接可视化飞秒激光与资料相互效果进程的动力学演化关于树立精细和多功用飞秒激光微加工的完好理论基础至关重要，值得更多重视。

　　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。因为微加工的横向分辩率与物镜的数值孔径成反比，因而可完成的分辩率随数值孔径的添加而添加。但是，在详细运用中应考虑作业间隔和分辩率之间的权衡。例如，关于外表处理，能够选用具有大数值孔径的油浸物镜来进步分辩率，而关于在需求长作业间隔的厚样品（如光波导和微流控通道）内进行的三维加工，运用数值孔径约为0.5的物镜是合理的。

　　一起，飞秒激光聚集光斑的横截面通常是椭圆的，具有较大的纵横比，导致轴向分辩率较低，难以满意运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能够大大下降空心微通道的纵横比。但是，运用飞秒激光能量的功率较低，狭缝的方向应随扫描方向调整。He等人经过飞秒激光脉冲的时刻聚集来操控微流控通道的横截面。飞秒脉冲的一起空间和时刻聚集是经过在脉冲进入物镜之前在空间中别离飞秒激光脉冲的光谱成分，然后在物镜的空间焦点处堆叠来完成的。最短的脉冲继续时刻仅限于空间焦点，有利于对称的球面光强散布和进步轴向分辩率。一起，该办法可用于完成高分辩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运用，有必要进步空心微通道的纵横比。

　　经过飞秒激光直接写入来制作二维（2D）和三维微结构通常以两种办法完成，要么经过移动三维变换台，要么经过与变换台组合的电流计。前一种办法适用于阵列加工和不严格要求高精度的运用。经过贝塞尔光束的线扫描能够进步功率。但是，完成大规模杂乱微结构的快速灵敏微加工依然十分缓慢。

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

　　因为高功率、高重复频率和小型化飞秒激光器的高度开展，选用扫描电流计和压电元件完成轴向和横向的高通量和高分辩率微加工，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用智能资料的吸引人的东西，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资料，广泛运用于生物医学、软传感器和软机器人。经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途径、步长和曝光剂量，Sun等人定制了3D梯度交联密度，并灵敏操控微观结构的3D形状和3D互连网络，以制作3D微致动器（图1a）。类似地，Duan等人经过调整飞秒激光脉冲剂量来构建4D可重构微机械来调理智能影响呼应水凝胶的交联密度、刚度和变形程度（图1b）。这些研讨标明，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资料的规划原理和飞秒激光制作。（a1）答应可逆变形的双3D飞秒激光纳米加工技能的示意图。（a2）运用双3D纳米制作技能规划和加工智能微流体。（b1）可重构复合微机械的4D飞秒激光制作示意图。（b2）经过交联密度调制规划智能微锥驱动器。

　　为了使杂乱微结构的制作愈加高效和灵敏，人们开发了各种办法，包含经过光学调制和衍射的多焦点并行处理、结构光、依据数字微镜器材（DMD）的光刻和液晶空间光调制器（LC-SLM）。其间，依据DMD和SLM的办法能够动态调整处理图形以满意大多数运用的需求，并得到了广泛的运用。一起，能够经过时空同步聚集办法完成亚微米分辩率的跨标准高通量处理。

　　光片能够经过DMD调制成恣意2D图画，然后完成大规模微结构阵列的高通量处理。值得注意的是，DMD上的光片辐照度应构成空间均匀的平头光束。一起，因为飞秒激光的高相干性，DMD上的微镜阵列也能够用作衍射光栅。在不需求超分辩率的运用中，能够挑选中等放大率的物镜，以取得更大的视界和图画区域。因为DMD的共同优势，依据DMD的飞秒激光处理具有高通量、高对比度、快速呼应和易于运用的特色。在图画化处理方面，现已证明了杂乱微结构阵列的单脉冲制作。该办法的制作功率明显进步，一起特征标准保持在波长标准。最近，提出了一种新的依据DMD的时空同步聚集成瘾制作办法（图2a1）。这种办法能够完成具有超分辩率的恣意杂乱三维结构的高通量并行加工。与现有TPP技能比较，打印速度高1000倍，轴向分辩率可达175 nm，如图2（a2）所示。

　　但是，入射激光在DMD上的衍射会导致明显的能量丢失，这使得飞秒激光的功率明显较高。例如，当波长为800 nm的飞秒激光在DMD外表上的入射角为57°且焚烧角为33°时，m=5阶的焚烧光束的能量为入射激光束的75%。此外，因为激光从DMD外表反射，以及因为微镜之间的空隙导致的能量丢失，照耀样品的激光能量低于44%。

　　LC-SLM代替DMD的起伏调制，经过改动液晶的散布来调制光场的相位，而且LC-SLM的光能运用率更高。LC-SLM与飞秒激光的结合是由Tokushima大学的研讨人员初次提出的。作为一种灵敏的微图画化办法，近年来，依据SLM的飞秒激光加工引起了广泛重视。改善了全息算法和制作办法，以取得所需的图画化光束，然后进步依据LC-SLM的飞秒激光处理的精度、功率和分辩率。结构化激光微加工为构建特别微结构供给了快速灵敏的处理方案。运用光强散布的规律性和可控参数的多样化，经过相位SLM发生马太光束来制备杂乱微笼，如图2(b1)和(b2)所示。运用无衍射高质量光束，对各种形状的贝塞尔光束进行调制，以制作深邃宽比微管、空心微螺旋结构和手性旋转微结构。

　　运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范畴显示出巨大的潜力。因为在整个脉冲继续时刻内具有杰出的相干性，飞秒激光干与为微加工供给了满意的能量密度。为了使体系简略、安稳和适用，提出了涡旋光束平和面波的同轴干与来发生三维螺旋光场，并在各向同性资猜中完成了手征微结构，如图3（a1）、（a2）和（a3）所示。为了高效灵敏的外表图画化，提出了一种依据迈克尔逊干与仪的飞秒激光时空干与办法，并经过SLM操控相位差，能够运用单个激光脉冲在大块资料上完成定制规划的灰度图画化（图3b1、b2和b3）。直接飞秒激光干与图画化已被用于纳米颗粒标准散布裁剪、多功用金属外表润饰等。飞秒激光干与具有单步处理、高功率、周期可控等长处，是构建周期性功用微纳结构的名贵东西，可广泛运用于信息存储、生物医学工程和超资料。

　　因为体积小、成本低和共同的光学功用，微透镜阵列在光调制、光学传感器和光学体系集成等范畴发挥着不行代替的效果。依据飞秒激光的微透镜制作办法可分为三个首要分支：减法制作、增材制作和激光诱导改性。

　　为了运用飞秒激光在硬资料上完成微透镜阵列的减法制作，需求额定的辅佐技能来出产具有润滑外表和高成像功用的微透镜，如图4（a）所示。在随后的湿法蚀刻（如HF溶液）和干式蚀刻的辅佐下，飞秒激光烧蚀能够在平面上加工大规模凹微透镜阵列、透镜阵列上的透镜平和凸圆柱微透镜阵列，以及在凹外表上依据3D光修正的凹微透镜阵列。最近，由TPP制作的仿生蛋白质基微透镜在遭到外部影响时显示出动态可调焦距、共同的拉伸性、杰出的生物相容性和生物降解性，如图4（b）所示。经过干法蚀刻辅佐飞秒激光加工制成的微透镜的外表粗糙度约为1.5 nm，这为运用于需求高成像功用的集成光学体系供给了潜力。

　　微透镜阵列广泛运用于并行微加工、光学成像和照明。为了满意内窥镜、照明体系和微型机器人等仪器的高光学功用和功用，选用飞秒激光多光子光刻技能制作了超紧凑型多透镜物镜阵列。关于光束整形，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功用。因为其优异的功用（即大视场、高光学功用、小体积、可调焦距和易于与其他体系集成），微透镜阵列在许多运用中显示出巨大的潜力，包含在灵敏和可拉伸的光子学和光学、冲击和多功用芯片试验室、智能机器人和生物医学设备中。

　　依据飞秒激光的微纳加工的一个有吸引力的运用是光栅加工。最近提出了几种新办法，包含飞秒激光直接写入、直接激光干与图画化、激光诱导周期性外表结构（LIPS）等。经过直接激光写入，飞秒激光相位掩模技能和熔合拼接技能被用于处理相移光纤光栅。运用飞秒激光过度曝光技能，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，经过飞秒激光诱导PEGDA水凝胶内的银离子光还原来制作可缩短的银衍射光栅。运用高分辩率飞秒激光直接激光写入技能能够灵敏地制作各种标准和形状的光栅，但功率较低。直接激光干与图画化和LIPSS是在外表高效构成微纳标准光栅的简略且广泛运用的办法。

　　光子晶体的特别三维介质结构能够发生带隙，以避免特定频率的电磁波传达。这种共同的功用相当于半导体晶体的光学模仿，完成了集成光子学，进步了光子晶体在波导、通讯、激光器和激起分子化学反应中的运用潜力。飞秒激光以其高精度、高功率、三维处理才能和无污染等优秀特性被运用于光子晶体加工。近几十年来，人们对运用飞秒激光制作光子晶体进行了很多的研讨。

　　最近，试验证明了经过飞秒激光挑选性擦除来制作三维铌酸锂非线性光子晶体，并运用飞秒激光经过非线性全息完成了非线性光束整形，与传统二维技能比较，制作功率进步了两个数量级。此外，经过飞秒激光畴回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完成畴回转。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能够在非线性波前整形进程中供给一切空间自由度的相位失配补偿，这为光束的光学调制供给了潜力。但是，具有可用于可见光的带隙的三维光子晶体的制作、在可选方位引进特定缺点、高效光子传导资料的制作以及光子晶体上的电流和电压负载依然是一个应战。

　　因为光纤直径小，资料通明，光纤上运用的加工技能有必要准确牢靠。与化学气相堆积（CVD）、等离子体化学气相堆积（PCVD）和轴向气相堆积（VAD）等传统处理办法不同，飞秒激光直写能够完成高功率、零污染和三维精细加工，然后能够操控组件的形状和标准，这能够大大进步光纤的功用。因而，飞秒激光直写已成为光纤加工、特种光纤创新和运用的重要途径。

　　能够在光学成像光纤的结尾制作可运用于微型光学仪器的具有高光学功用的超小型多透镜物镜（图6a）。在光纤试验室方面，经过飞秒激光直接写入（图6b），并辅以挑选性化学蚀刻，将三维光学电路和微流控体系集成在单模光纤中。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，元件的外表粗糙度能够到达10 nm，为光纤开发中的3D试验室铺平了一条新路。飞秒激光和光纤的结合为光学器材和微流控器材的外表和亚外表制作供给了共同的办法，答应集成到光学平台上，此外，具有不同物理、化学、机械和生物特性的各种资料能够集成到光纤上。因而，光纤的制作和运用远景宽广。

　　资料对飞秒激光的吸收对错线性且与资料无关的，这使其成为在纳米级精度的复合衬底中制作杂乱三维结构的名贵东西。在现代激光技能飞速开展的一起，时空光束整形技能与并行处理技能相结合，能够处理分辩率、出产率和资料方面的应战。运用智能资料进行三维/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式运用。经过飞秒激光处理将光学器材与其他组件一步集成关于新式器材和运用具有吸引力。硅衬底上的有源光子集成以及集成器材上的电流和电压负载是阻止飞秒激光加工实践运用的潜在问题。此外，经过依据飞秒激光的增材制作来制作具有数十纳米到厘米多标准标准的可扩展超资料是另一个成功的新式运用。尽管现已探究了飞秒激光构建的微/纳米结构的运用，但相关研讨没有体系化。为了提醒飞秒激光加工在机械、电子、生物传感器和驱动、物理和化学范畴的巨大潜力，需求进一步的探究和研讨；例如，需求全面的模型和办法改善，以及相应丈量体系的改善。