1、背景

紅外光在電磁波譜中介于可見(jiàn)光與微波之間，波長(zhǎng)為0.76～1000 μm，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外輻射的可控傳輸、調(diào)制、探測(cè)，傳統(tǒng)的紅外光學(xué)器件逐漸發(fā)展為微納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成的紅外微光學(xué)器件，以優(yōu)化高分辨率成像、弱信號(hào)探測(cè)等性能。

硬脆材料在極端環(huán)境下具備優(yōu)異性能，在航空航天等領(lǐng)域不可或缺。然而，硬脆材料的高精度微納制備面臨挑戰(zhàn)。為解決這一問(wèn)題，研究人員探索了金剛石車削、光刻、納米壓印、飛秒激光等高精密制造方法。其中，飛秒激光以其極短脈沖寬度、高峰值功率和真三維加工能力成為研究熱點(diǎn)，可在硬脆材料表面及內(nèi)部制備高精度真三維微納結(jié)構(gòu)，適用于光學(xué)、機(jī)械、電子等領(lǐng)域的微納器件制備。

吉林大學(xué)劉學(xué)青副教授團(tuán)隊(duì)總結(jié)了近年來(lái)飛秒激光加工在硬脆材料紅外微光學(xué)器件制備及應(yīng)用方面的進(jìn)展，介紹了主要的飛秒激光加工技術(shù)、常用的紅外硬脆材料以及制備出的多種紅外微光學(xué)器件及其應(yīng)用，并展望了未來(lái)基于飛秒激光加工的紅外微光學(xué)器件的發(fā)展前景。

2.飛秒激光加工技術(shù)

飛秒激光直寫燒蝕加工是通過(guò)物鏡將激光聚焦在材料表面，通過(guò)激光焦點(diǎn)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的燒蝕去除。這種方法工藝簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)在于效率較低，并且加工后材料表面粗糙度較大[圖1(a)]。

為了解決以上問(wèn)題，刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)被提出，其原理是激光輻照區(qū)被改性，在后續(xù)刻蝕過(guò)程中與未輻照區(qū)形成顯著的刻蝕速率差，從而實(shí)現(xiàn)材料的高精密且低粗糙度的加工，并且可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部三維微納結(jié)構(gòu)的加工[圖1(b)]。

針對(duì)效率低的問(wèn)題，飛秒激光光束干涉技術(shù)通過(guò)將激光分束成兩束或多束，在材料表面發(fā)生激光干涉，會(huì)形成較大面積的干涉區(qū)域，有利于大面積加工，提升加工效率，此時(shí)能量呈現(xiàn)周期性分布，特別適合制作光柵等周期性結(jié)構(gòu)[圖1(c)]。

為了在提高效率的同時(shí)增加加工的靈活性，光場(chǎng)調(diào)制飛秒激光加工技術(shù)被提出，可以通過(guò)空間光調(diào)制器（SLM）對(duì)原有的高斯光斑進(jìn)行相位、振幅等特性的調(diào)控以提升加工效率、改變加工形貌等[圖1(d)]。

圖1 不同飛秒激光加工技術(shù)。（a）飛秒激光直寫加工；（b）刻蝕輔助飛秒激光加工；（c）飛秒激光干涉加工；（d）光場(chǎng)調(diào)制飛秒激光加工

3.紅外光學(xué)材料

紅外光學(xué)硬脆材料具有物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度和硬度高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)。針對(duì)不同的紅外波段和不同的應(yīng)用需求，在制備紅外微光學(xué)器件之前應(yīng)該選用合適的紅外光學(xué)硬脆材料。表1為紅外輻射領(lǐng)域常用的硬脆材料及適用波段。

表1 紅外輻射領(lǐng)域常用的硬脆材料及適用波段

4.紅外微光學(xué)器件

近年來(lái)，科研人員們針對(duì)飛秒激光加工硬脆材料的各種類型紅外微光學(xué)器件做了大量研究，這些器件可以簡(jiǎn)單分為折射器件、衍射器件、抗反射結(jié)構(gòu)器件和超表面結(jié)構(gòu)器件等。

折射器件如紅外微透鏡在紅外成像、光束整形等方面具有重要應(yīng)用?？蒲腥藛T通過(guò)飛秒激光輔助濕法刻蝕技術(shù)，成功制備了硅基微透鏡陣列，實(shí)現(xiàn)了超大規(guī)模微透鏡的制備，適用于激光的光束勻化器等領(lǐng)域。同時(shí)，飛秒激光輔助干法刻蝕技術(shù)也被引入，成功制備了硅、碳化硅、砷化鎵以及金剛石等硬脆材料的微透鏡陣列，展現(xiàn)了在硬脆材料高精密微加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景[圖2(a)]。

常見(jiàn)的衍射器件包括光柵結(jié)構(gòu)和菲涅耳透鏡等，例如，科研人員運(yùn)用干法刻蝕輔助飛秒激光無(wú)掩?；叶戎睂懠夹g(shù)，在硅表面上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)面型菲涅耳透鏡，展現(xiàn)了優(yōu)良的聚焦和成像性能。

紅外透過(guò)窗口在紅外檢測(cè)、熱成像等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用傳統(tǒng)的增透膜技術(shù)存在著易受損等問(wèn)題，因此，科研人員開(kāi)始構(gòu)建抗反射微結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的增透或減反效果。硅表面上形成的激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)在可見(jiàn)和近紅外波段（250~2500 nm）顯著抑制了硅表面的反射。

超表面結(jié)構(gòu)，作為在二維平面上精確定義的微細(xì)結(jié)構(gòu)，具有精確操控入射電磁波傳播和散射行為的能力。在硫化鋅和非晶硅薄膜上，科研人員通過(guò)飛秒激光技術(shù)成功制備了超表面結(jié)構(gòu)，為電磁波的控制提供了新的可能性[圖2(d)]。

圖2 不同紅外微光學(xué)器件。（a）微透鏡陣列；（b）衍射光柵；（c）抗反射結(jié)構(gòu)；（d）超表面結(jié)構(gòu)

5.紅外微光學(xué)器件的應(yīng)用

科學(xué)家們通過(guò)飛秒激光技術(shù)在硬脆材料上制備了各類紅外微光學(xué)器件，包括折射器件、衍射器件等，這些創(chuàng)新為紅外技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)了全新的可能性。紅外微光學(xué)器件在傳感與成像、紅外探測(cè)、紅外透明窗口和激光源等方面均得到了廣泛應(yīng)用。

紅外傳感器廣泛應(yīng)用于軍事與民生等領(lǐng)域。利用紅外波段的電磁波實(shí)現(xiàn)環(huán)境測(cè)量，能夠在屏幕上看到肉眼無(wú)法直接觀察到的紅外圖像?，F(xiàn)代微光學(xué)成像元件中，微透鏡及其陣列起著不可或缺的作用，科學(xué)家們通過(guò)飛秒激光技術(shù)在硅、硫系玻璃、硒化鋅等材料上制備微透鏡陣列，實(shí)現(xiàn)了高透明度和優(yōu)異的紅外成像性能[圖3(a)]。

在硅微紋理表面制備的“黑硅”結(jié)構(gòu)是紅外探測(cè)器的理想選擇。通過(guò)多次內(nèi)反射降低硅表面的有效反射率，“黑硅”結(jié)構(gòu)具有出色的紅外吸收特性，為硅光電探測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性[圖3(b)]。此外，研究人員還通過(guò)飛秒激光技術(shù)制備了超表面，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)80%的共振吸收，為紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)提供了新思路。

作為紅外探測(cè)技術(shù)的核心部件，紅外窗口材料需要在紅外波段具備卓越的透射效果和機(jī)械強(qiáng)度?？茖W(xué)家們通過(guò)飛秒激光技術(shù)在藍(lán)寶石、硫化鋅等硬質(zhì)材料表面制備微結(jié)構(gòu)，有效增加了窗口的透過(guò)率。相較于傳統(tǒng)的薄膜增透技術(shù)，該方法更穩(wěn)定，可拓展紅外窗口材料的設(shè)計(jì)思路[圖3(c)]。

在紅外激光源方面，飛秒激光技術(shù)為制備陶瓷通道波導(dǎo)激光器提供了可靠的工藝?？茖W(xué)家們成功地制備了連續(xù)波和被動(dòng)調(diào)Q狀態(tài)下工作的Er:Y2O3陶瓷通道波導(dǎo)激光器，為中紅外陶瓷加工技術(shù)開(kāi)辟了新的可能性[圖3(d)]。

圖3 各類紅外微光學(xué)器件的相關(guān)應(yīng)用。（a）紅外傳感與成像；（b）紅外探測(cè)器；（c）紅外增透窗口；（d）紅外激光源

6.總結(jié)與展望

紅外微光學(xué)器件以其體積小、重量輕、制造方法靈活、便于集成等特點(diǎn)，正引領(lǐng)紅外技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，將為紅外傳感與成像、紅外探測(cè)和紅外增透窗口等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)巨大的推動(dòng)力。硬脆材料的卓越物理化學(xué)穩(wěn)定性為這些器件提供了更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，激發(fā)了對(duì)高精密微加工技術(shù)的新要求。

飛秒激光加工技術(shù)的崛起為高精密制備硬脆材料紅外微光學(xué)器件提供了新的解決方案，極大提高了加工的靈活性。然而，目前飛秒激光加工制備紅外微光學(xué)器件仍面對(duì)一些挑戰(zhàn)，如光學(xué)元件表面粗糙度較大和針對(duì)不同材料開(kāi)發(fā)相對(duì)應(yīng)的高精密加工工藝，解決這些問(wèn)題將促進(jìn)飛秒激光在紅外微光學(xué)器件制備領(lǐng)域得到更廣泛地應(yīng)用。

課題組介紹

吉林大學(xué)超快光電技術(shù)團(tuán)隊(duì)依托于集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要研究方向包括微納結(jié)構(gòu)與器件加工中的光與物質(zhì)非線性相互作用研究，聚焦激光精密加工和納米制造關(guān)鍵技術(shù)，致力于為超快激光加工器件功能化、效率和精度提升做出創(chuàng)新貢獻(xiàn)，探索超快激光三維精密加工技術(shù)在微光學(xué)、微電子、微機(jī)械、微流控、微傳感、生物與仿生等廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用，并建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超快激光微納加工技術(shù)和裝備體系，為基礎(chǔ)研究和國(guó)防高技術(shù)領(lǐng)域若干緊迫需求提供解決方案。

更多信息可訪問(wèn)主頁(yè)：http://cufo.jlu.edu.cn/index.htm

通信作者簡(jiǎn)介

劉學(xué)青，吉林大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師。主要從事超快激光精密加工技術(shù)研發(fā)及其在硬脆材料特種光電器件制備方面的研究工作。在Laser Photonics Rev., Adv. Funct. Mater., PhotoniX等雜志上發(fā)表SCI論文40余篇，部分論文入選高被引論文；申請(qǐng)/授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利7項(xiàng)；主持國(guó)家自然科學(xué)基金、省重大子課題、省重點(diǎn)等項(xiàng)目5項(xiàng)；擔(dān)任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)極端制造分會(huì)委員，中國(guó)激光雜志社《中國(guó)激光》、Frontiers of Optoelectronics以及Nanotechnology and Precision Engineering等雜志青年編委，入選2023年度 “全球前2%頂尖科學(xué)家榜單”。

來(lái)自：激光評(píng)論