文丨峰纪实

编辑丨峰纪实

«——【· 前言 ·】——»

飞秒激光与光学材料的相互作用通常被称为 非线性多光子吸收（MPA）过程 。当高强度聚焦光束入射到材料上时，它会在如此短的时间内诱导雪崩电离过程，从而不允许快速传热过程。这将导致材料中发生永久的、稳定的变化。

为了在光学材料中产生特定的结构，常常会使用紧密聚焦的光束，并在材料中进行扫描，以生成二维（2D）和三维（3D）结构。

光束在材料中被吸收，并导致该区域的结构和/或光学性质发生改变，比如折射率的变化。这种技术通常被称为直接激光书写（DLW）、多光子光刻（MPL）、飞秒激光直接书写（FsLDW）或飞秒直接激光书写（FDLW），它被广泛用于制造高质量的微纳米结构和功能器件。激光参数， 如光束形状、扫描速度、重复率、偏振、功率、刻蚀深度和聚焦情况 ，都会对所生成的结构形态和功能产生强烈影响。

«——【·实验过程 ·】——»

飞秒的激光书写

自从Davis等人在1996年证明了第一个使用飞秒激光进行波导写入的实验以来，过去几十年里，飞秒直接激光写入（FDLW）已成为一种非常有前景的方法，用于制造非传统的三维集成光子器件。

最常被研究的材料是熔融二氧化硅，因为它能可靠地实现正折射率的变化。相比之下，其他一些玻璃材料，如某些 磷酸盐玻璃 ，常常呈现负折射率的变化，这在使用I型波导写入光波导结构时无法实现。

直接激光书写技术在发展过程中经历了三个重要的阶段。在技术的早期阶段（从90年代中期到2000年初），主要使用800纳米的钛宝石振荡器或者重复频率为10千赫兹的低脉冲放大器来进行飞秒激光直接写入。

尽管飞秒直接激光写入（FDLW） 存在低激光诱导变化和缓慢制造速度的限制 ，它仍被广泛探索用作光子器件的主要制造技术。许多创新的思路在FDLW领域得到深入研究，例如三维波导、耦合器和体积衍射光学元件

通过光束传播、原子力显微镜（AFM）、折射近场轮廓测量、微拉曼光谱和光学相干断层扫描（OCT）等技术，对激光书写的波导的特性和性能进行了深入研究，在第二阶段，从2000年中期到年底， 取得了巨大的进展不仅在波导质量方面 ，还在制造速度上通过增加脉冲的重复频率来实现。

正是因为新型飞秒激光器的发展，比如掺镱光纤激光器，它们提供了更高的重复率和更高的可靠性。这些激光器可以实现突发模式，这在飞秒直接激光写入（FDLW）中被用来更有效地引入热积累，以修改玻璃结构。

使用突发模式的方法可以集中能量在极短的时间内加热材料，从而引起材料中的局部变化。这种方法可以提高材料的可形变性和加工速度，并且在FDLW中实现更复杂的结构修改。

通过新型飞秒激光器和突发模式的引入， 可以降低激发改性所需的激光阈值通量 。自2005年和2006年以来，制造和光导效率已经显著提高，从而增加了该技术在实际应用中的可能性。

在这个时期，更复杂的结构，包括波导阵列、耦合器、堆叠衍射光学和集成光学器件已经被成功实现和证明。这些进展使得飞秒直接激光写入技术在光子器件制造领域具有更广泛的应用前景。

从2005年到2006年以来， 制造和光导效率已经显著提高 ，这使得降低引发改性的激光阈值通量成为可能。这一进展增加了该技术的实际应用的可能性。在这一时期，更复杂的结构被引入，包括波导阵列、耦合器、堆叠衍射光学和集成光学器件。这些结构的引入进一步改善了激光器的性能和稳定性。

衍射光学元件，如光栅和衍射透镜，是一种无源光子结构。然而，由于低诱导折射率变化，对于衍射元件的制造来说，提高低衍射效率是一个挑战

为了克服低效率展示了一种多能级衍射相位透镜的方法，而之前的工作主要是采用激光烧蚀产生振幅二值透镜。另外，有人提出了一种体积菲涅耳区板（FZP），通过在入射光传播方向上叠加二元FZP层。

使用一个中心环替代了完整的区域，从而将制造时间从18小时显著减少到几分钟。通过使用8层FZPs， 整体衍射效率大大提高到59.1% 。这些改进的方法为衍射光学元件的制造提供了更高效和可行的解决方案。

集成光学是由至少两种不同的功能结构组成的，例如波导和衍射结构的组合，以及带有衍射透镜和波导阵列的内置耦合器。

一个1×3内置耦合器，它结合了三层堆叠FZPs（体积菲涅耳区板）和波导。每一层堆叠FZPs都横向放置在60µm的相同距离上，与每个波导对齐。因此，FZPs同时充当聚焦透镜和分配器的功能。

这些FZPs是写在波导前面的一个子表面上的，因此具有抗外部振动的能力。这种设计使得内置耦合器更加稳定， 并且可以减少外界振动对光学性能的干扰 。通过将FZPs与波导结合在一起，Choi等人实现了高效的光信号传输和控制，为集成光学的实际应用提供了有力支持。

飞秒激光被广泛用于增强标准光纤的功能。其中一种应用是将飞秒激光在线功率监测组件嵌入光子晶体光纤和专用光纤中

在非光敏光纤中，制备了一种条纹宽带光纤光栅。当光栅长度达到19.5 cm时，其光谱带宽和最大群延迟分别为30 nm和2 ns。 这种光栅的制备使用了飞秒激光技术 ，通过激光在光纤内产生的微小变化来实现对光信号的调控。

具有条纹宽带光纤光栅的光纤可以具有广泛的光谱响应，并且能够在时间上引入群延迟。这种组件的应用可以包括激光光谱分析、光纤通信系统中的时钟同步和信号传输控制等领域。通过飞秒激光的精密加工，这种光纤组件的功能性得到了显著提升

飞秒直接激光写入与光学材料中的化学蚀刻

在透明光学材料中，可以通过类似于3D光刻技术的3D打印工艺来实现三维结构、内部修饰和表面形成。

制造过程包括使用飞秒激光在光敏玻璃中进行扫描，然后进行 湿式化学蚀刻 。通常使用氢氟酸或氢氧化钾等蚀刻剂，以选择性地去除暴露区域。

飞秒激光改变了 暴露区域的特性 ，使其可以被蚀刻掉。退火也可以作为该过程的一部分，以进行进一步的修改和表面平滑。这种工艺可以被称为选择性激光诱导蚀刻或飞秒激光直接写入。

通过这种方法，可以在透明光学材料中实现复杂的三维结构、微细的内部修饰和精确的表面形成。这种技术在微光学、光子学器件和生物医学领域等方面有广泛的应用前景。通过飞秒激光的高精度和可控性，可以实现微尺度和纳米尺度的结构制备，为材料研究和光学设备开发提供了全新的可能性。

飞秒激光辅助蚀刻（FLAE）或体积 选择性激光蚀刻 （ISLE）是一种利用飞秒激光进行制造的方法。由于其低热膨胀、宽的光学透明度和生物相容性，玻璃被认为是适合使用飞秒激光制造的材料选择。

选择性激光诱导蚀刻（SLE）已经在透明材料如石英玻璃（二氧化硅）中被广泛应用，用于制造各种三维结构，包括微流控器件、微透镜、表面孔和其他功能性器件等。此外，SLE也可能被应用于其他玻璃材料， 如硼硅酸盐玻璃、硅酸铝玻璃（福特兰）、钠石灰玻璃或超低膨胀玻璃 。

通过飞秒激光辅助蚀刻，可以实现高精度、高分辨率的制造，使得在玻璃等透明材料中制造复杂的微米和纳米级结构成为可能。

这种技术在 光学器件、微纳加工、光子学等领域有着广泛的应用潜力 。通过飞秒激光的非线性光学效应和高能量密度，可以实现微细结构的快速制造和表面修饰，为材料科学和工程提供了新的创新途径。

微流控装置是由微通道或受限区域组成的，用于控制流体的运输、混合、分离等操作。它在 生物医学研究、药物开发、环境监测、国防等领域中被广泛应用于检测和分析 。此外，微流控装置的应用还能够扩展到电子、机械和光学领域，为实验室研究和应用领域带来了便利性和创新潜力。

在熔融二氧化硅中，使用飞秒激光进行曝光会增加蚀刻速率，可能是因为硅硅键角度的改变。常用的蚀刻剂是氢氟酸（HF），但氢氧化钾（KOH）也可以用于实现更高的蚀刻选择性。体积三维硅玻璃微加工已经成功实现， 通过使用飞秒激光曝光后进行蚀刻 ，在高频酸水溶液中制造出高长径比的微通道，直径可以缩小到10微米。这项技术已经在制造微流体、光流体、微光学、微机械、微电子、光子器件和透镜等设备方面得到广泛应用。

硫族化合物玻璃的激光加工与结构制备

激光加工硫族化合物玻璃（ChGs）被研究作为制造红外（IR）功能器件的一种方法。ChGs主要由硫（S）、硒（Se）和碲（Te）等元素组成， 不含氧（O） 。它们是一种带隙在1eV-3eV之间的半导体材料，可以是非晶态或晶体形式。

ChGs因具有广泛的红外透过窗口、高非线性、大折射率（约2到3）、适度的热膨胀系数（CTEs）、可定制的热光系数（dn/dT） 以及独特和可调的光学特性和功能而备受关注 。因此，ChGs被看作是具有潜力的候选材料，适用于许多红外应用和器件。

在红外光学、传感器、探测器和波导等领域，ChGs有着直接的应用。由于其宽波段的红外透过窗口，ChGs在红外光学器件中具有优势。 其大折射率和非线性特性使其在光纤传感器和光调制器等领域得到应用 。此外，ChGs还被广泛研究用于制备红外探测器、光波导和其他光学器件。

«——【·结论 ·】——»

飞秒激光玻璃加工现在已经成为一种非常厉害而且高效的光学材料微细加工技术。它提供了一种方法，可以制造出对于传感、光学、成像、电子、医学和微电子机械系统（MEMS）等应用有重大影响的结构和设备。

文章讨论了 飞秒激光处理光学材料的最新发展 ，特别关注了使用熔融二氧化硅制备的器件，活性眼镜，福图兰眼镜和硫族化合物眼镜。我