傳統(tǒng)的飛秒激光3D直寫系統(tǒng)由飛秒激光器、高數(shù)值孔徑(NA)物鏡以及3D加工平臺(tái)構(gòu)成，這種加工方式已經(jīng)在微納加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效率、高精度和跨尺度激光加工，需要對飛秒激光進(jìn)行空域和時(shí)域的相干操控。由于飛秒激光與材料介質(zhì)的相互作用具有高度非線性，飛秒激光加工的空間分辨率對焦點(diǎn)處光強(qiáng)的空間分布非常敏感。因此，對激光-材料相互作用區(qū)超快光場的精確操控尤為關(guān)鍵。此外，由于飛秒激光具有很寬的光譜范圍，因此可以在亞周期時(shí)間量級上對飛秒激光脈沖進(jìn)行時(shí)域整形。
下文帶你一起看各類空間整形技術(shù)，以及在飛秒激光直寫形貌控制、加工效率提升等方面的應(yīng)用。
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狹縫整形技術(shù)
在典型的飛秒激光3D加工過程中，飛秒激光脈沖一般由顯微物鏡聚焦到材料內(nèi)部，以形成局域化的改性區(qū)域。激光聚焦焦點(diǎn)處光場在橫向(焦斑半徑方向)和軸向(激光傳播方向)的分布通常情況下并不平衡。除此之外，由于飛秒激光與材料作用的極端非線性，激光脈沖的自聚焦在軸向會(huì)更進(jìn)一步使得改性區(qū)域的軸向尺寸遠(yuǎn)大于橫向，這就造成了激光材料加工、光學(xué)成像等領(lǐng)域中橫向和軸向分辨率不對稱的問題。例如，通過在石英玻璃材料內(nèi)部掃描緊聚焦的飛秒激光焦點(diǎn)，可以在激光作用區(qū)域誘導(dǎo)折射率提高，從而獲得光學(xué)導(dǎo)波效應(yīng)。然而，由于橫向和軸向加工不對稱，光波導(dǎo)的橫截面呈現(xiàn)自然的橢圓形，從而無法支持單模導(dǎo)波傳輸。
狹縫整形正是解決該問題最為有效的技術(shù)手段之一。如圖1所示，該方法通過在物鏡上方放置一個(gè)衍射狹縫，進(jìn)行橫向直寫，狹縫的方向平行于激光的直寫方向，獲得縱向與橫向間平衡的光學(xué)分辨率。該方法目前被廣泛運(yùn)用于飛秒激光直寫三維光波導(dǎo)。利用這種方法制備出的光波導(dǎo)具有圓形對稱的截面，能夠有效支持單模傳輸。
圖1(a)飛秒激光狹縫整形直寫的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖; (b)傳統(tǒng)方式聚焦直寫的波導(dǎo)截面; (c)狹縫整形直寫的波導(dǎo)截面
狹縫整形技術(shù)的原理NA，增加該方向上激光焦斑的尺寸，并拓寬激光作用區(qū)域的寬度。
2009 年，飛秒激光直寫被應(yīng)用于光量子芯片的制備與集成。利用重復(fù)頻率為1 kHz、中心波長為800 nm、脈寬為120 fs 的飛秒激光進(jìn)行狹縫整型直寫，可在高純度熔石英材料中成功制備出波導(dǎo)截面為圓形的定向耦合器，芯片插入損耗為3 dB。在制備過程中采用狹縫整形的方法可實(shí)現(xiàn)光束整形。利用該器件演示的雙光子和三光子非經(jīng)典干涉實(shí)驗(yàn)表明飛秒激光直寫可以制備出高品質(zhì)的量子信息器件。
將狹縫整形技術(shù)做進(jìn)一步改進(jìn)，可以高效制備出模場可控、偏振無關(guān)的透明材料內(nèi)光波導(dǎo)。采用飛秒激光在透明材料中直寫的光波導(dǎo)可分為兩類：
1) 激光輻照后，被輻照區(qū)域的折射率增加，光被限制在輻照區(qū)域，該方法形成的波導(dǎo)被稱為I類光波導(dǎo);
2) 在更大通量的激光輻照后，激光輻照的區(qū)域相對其周圍區(qū)域折射率降低，形成波導(dǎo)的包層，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光，這種波導(dǎo)被稱為Ⅱ類光波導(dǎo)。
Ⅱ類光波導(dǎo)大多數(shù)在晶體或者ZABLAN玻璃中制備獲得，一般而言，Ⅱ類光波導(dǎo)可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：
1) 利用高NA物鏡逐步點(diǎn)掃圍成波導(dǎo)包層;
2) 利用低NA物鏡在材料內(nèi)部同一深度直寫出兩道平行的痕跡。
基于狹縫整形技術(shù)的飛秒直寫為Ⅱ類光波導(dǎo)的制備提供了全新的高效解決途徑。利用空間光調(diào)制器(SLM)加載有相位分布的閃耀光柵狹縫，當(dāng)飛秒激光脈沖經(jīng)過光柵后產(chǎn)生衍射強(qiáng)度分布，通過空間濾波將一級衍射光濾出，并通過物鏡聚焦進(jìn)行直寫。將基于狹縫整形技術(shù)的飛秒直寫與上述的第二種直寫方式相結(jié)合，可以在材料中高速制備出四面合圍的“口”字型環(huán)狀光波導(dǎo)，且通過調(diào)節(jié)狹縫大小，能夠?qū)崿F(xiàn)波導(dǎo)的模場變換。
狹縫整形技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，操作靈活，缺點(diǎn)在于造成了較大的激光能量損失。此外，狹縫整形只能提供一維方向的整形，例如:狹縫沿yxOz平面的光斑形貌近似為圓形，而在yOz平面的光斑依然不對稱。因此，整個(gè)焦點(diǎn)的光場分布在3D空間內(nèi)依然不對稱。
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時(shí)空聚焦技術(shù)
為了抑制寬場雙光子熒光顯微中的背景噪聲，2005年Zhu 等提出時(shí)空聚焦技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)寬場3D層析成像。時(shí)空聚焦技術(shù)的原理如下圖所示。飛秒激光脈沖通過光柵對后形成具有空間色散的光束，為了補(bǔ)償光柵對帶來的負(fù)啁啾，需要對入射飛秒激光進(jìn)行正啁啾補(bǔ)償。隨后，利用透鏡聚焦具有空間色散的光束。在空域上，色散開的不同頻譜成分通過聚焦物鏡后，僅在焦平面上各頻率分量同時(shí)到達(dá)，形成傅里葉變換極限的最短脈沖，而在焦平面外，脈沖在時(shí)域上被展寬。
圖2 時(shí)空聚焦原理示意圖
時(shí)空聚焦技術(shù)操控焦點(diǎn)附近的脈沖寬度和峰值功率的變化，能夠極大程度地提升縱向分辨率，降低非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)飛秒激光大尺度3D微納加工。
圖3Foturan玻璃中(a)傳統(tǒng)聚焦和(b)時(shí)空聚焦焦點(diǎn)的截面顯微圖像; (c)利用時(shí)空聚焦系統(tǒng)在Foturan玻璃內(nèi)部直寫的中國館結(jié)構(gòu)
時(shí)空聚焦光場整形也被拓展至飛秒激光雙光子3D打印中?；跁r(shí)空聚焦技術(shù)的3D打印設(shè)備可以大幅拓展雙光子聚合打印的最終尺寸，并且可實(shí)現(xiàn)打印精度與成型尺度的有效兼顧。利用飛秒激光束時(shí)空聚焦脈沖，能夠有效操控激光焦點(diǎn)形態(tài)，從而控制雙光子聚合區(qū)域的形狀。僅通過調(diào)節(jié)飛秒激光入射功率，就能實(shí)現(xiàn)3D對稱打印分辨率的連續(xù)可調(diào)。
最近，超快激光脈沖的時(shí)空域控制可以實(shí)現(xiàn)石英玻璃內(nèi)部的無像差3D加工。通過色散元件對初始飛秒激光脈沖進(jìn)行時(shí)域整形，使其獲得巨大的啁啾量，脈沖寬度被展至數(shù)十皮秒。利用該激光脈沖進(jìn)行石英玻璃中的直寫，能夠得到3D對稱的改性區(qū)。
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貝塞爾光束整形
Durnin等于1987年提出了無衍射光的概念，這種光束的光強(qiáng)分布在橫向上具有貝塞爾函數(shù)的分布特征，因此又被稱為貝塞爾光束。理想的貝塞爾光束的能量是無窮大的，因此在自然界中是不存在的，在實(shí)驗(yàn)中通常利用軸棱錐將高斯光束轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)貝塞爾光。與高斯光束相比，貝塞爾光束具有極長的焦深，近年來在生物成像和激光加工等領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。
飛秒激光貝塞爾光束在制備高深徑比的通道中具有很好的效果。如圖4(a)所示，飛秒激光高斯光束通過軸棱錐鏡后生成了貝塞爾-高斯光束，在沿軸傳輸過程中能夠維持較長的傳輸距離和較好的光強(qiáng)穩(wěn)定性。將這一光束聚焦于玻璃樣品背面，僅通過高強(qiáng)度的單發(fā)飛秒脈沖就可以在玻璃樣品中制備出直徑在200~800 nm范圍內(nèi)且深徑比超過100的納米通道，如圖4(b)所示。
圖4(a)角錐棱鏡產(chǎn)生的貝塞爾光束及其光強(qiáng)分布示意圖; (b)使用貝塞爾光束在玻璃中制備高深徑比的納米通道SEM圖像
貝塞爾光束雖然具有無衍射特性，但它具有較大比例的旁瓣。一般而言，一級旁瓣的強(qiáng)度約為中心光束的16%，這些旁瓣也會(huì)給樣品帶來不必要的損傷，特別是在加工吸收較強(qiáng)的材料時(shí)。此外，在生物成像中，旁瓣還會(huì)造成分辨率的降低。因此，如何抑制貝塞爾光束的旁瓣成為微納加工和生物成像領(lǐng)域中的關(guān)鍵性問題。通過將光學(xué)相位板引入貝塞爾光束整形，能夠在一定范圍內(nèi)有效抑制貝塞爾光束的旁瓣，在硅通孔(TSV)加工應(yīng)用中取得較好的效果。
總結(jié)
綜上所述，利用整形飛秒激光脈沖直寫技術(shù)在不同介電材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一系列3D功能微結(jié)構(gòu)和復(fù)雜大尺寸結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的飛秒激光直寫技術(shù)，基于整形飛秒激光脈沖的3D制備技術(shù)給人們帶來了更多的實(shí)現(xiàn)可能和更豐富的可操控性，而本文僅展示了這種技術(shù)的一個(gè)層面。從應(yīng)用角度而言，整形飛秒激光脈沖加工技術(shù)在微流控、光子集成、太赫茲光學(xué)、3D打印等方面均有望發(fā)揮及其重要的作用，解決關(guān)鍵性的科學(xué)問題。同時(shí)，新穎的光場操控手段和器件也在不斷促進(jìn)整形飛秒激光加工技術(shù)的發(fā)展。目前，該技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，逐漸具備從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的能力?？梢灶A(yù)見，在未來的科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中，基于整形飛秒激光脈沖的3D制備將成為激光精密微加工領(lǐng)域最重要、最前沿的技術(shù)手段之一，并推動(dòng)智能制造向前發(fā)展。
作者：
喬玲玲1 , 儲(chǔ)蔚 1, 2* , 王哲 1, 3 , 程亞 1, 2**
1中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
2華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院極端光機(jī)電實(shí)驗(yàn)室
3上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
喬玲玲,儲(chǔ)蔚,王哲,程亞 基于整形飛秒激光脈沖的三維微納制備(特邀綜述)[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2019，39(1): 126012
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