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加工平臺構成，這種加工方式已經(jīng)在微納加工領域得到了廣泛的應用。但是，為了進一步實現(xiàn)高效率、高精度和跨尺度激光加工，需要對飛秒激光進行空域和時域的相干操控。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處光強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間量級上對飛秒激光脈沖進行時域整形。

下文帶你一起看各類空間整形技術，以及在飛秒激光直寫形貌控制、加工效率提升等方面的應用。

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狹縫整形技術

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更進一步使得改性區(qū)域的軸向尺寸遠大于橫向，這就造成了激光材料加工、光學成像等領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，可以在激光作用區(qū)域誘導折射率提高，從而獲得光學導波效應。然而，由于橫向和軸向加工不對稱，光波導的橫截面呈現(xiàn)自然的橢圓形，從而無法支持單模導波傳輸。

狹縫整形正是解決該問題最為有效的技術手段之一。如圖1所示，該方法通過在物鏡上方放置一個衍射狹縫，進行橫向直寫，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分辨率。該方法目前被廣泛運用于飛秒激光直寫三維光波導。利用這種方法制備出的光波導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驗裝置示意圖; (b)傳統(tǒng)方式聚焦直寫的波導截面; (c)狹縫整形直寫的波導截面

狹縫整形技術的原理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，飛秒激光直寫被應用于光量子芯片的制備與集成。利用重復頻率為1 kHz、中心波長為800 nm、脈寬為120 fs 的飛秒激光進行狹縫整型直寫，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)典干涉實驗表明飛秒激光直寫可以制備出高品質(zhì)的量子信息器件。

將狹縫整形技術做進一步改進，可以高效制備出模場可控、偏振無關的透明材料內(nèi)光波導。采用飛秒激光在透明材料中直寫的光波導可分為兩類：

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，該方法形成的波導被稱為I類光波導;

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，形成波導的包層，從而實現(xiàn)導光，這種波導被稱為Ⅱ類光波導。

Ⅱ類光波導大多數(shù)在晶體或者ZABLAN玻璃中制備獲得，一般而言，Ⅱ類光波導可通過兩種方式實現(xiàn)：

1) 利用高NA物鏡逐步點掃圍成波導包層;

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。

基于狹縫整形技術的飛秒直寫為Ⅱ類光波導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，當飛秒激光脈沖經(jīng)過光柵后產(chǎn)生衍射強度分布，通過空間濾波將一級衍射光濾出，并通過物鏡聚焦進行直寫。將基于狹縫整形技術的飛秒直寫與上述的第二種直寫方式相結合，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，且通過調(diào)節(jié)狹縫大小，能夠?qū)崿F(xiàn)波導的模場變換。

狹縫整形技術實現(xiàn)簡單，操作靈活，缺點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，整個焦點的光場分布在3D空間內(nèi)依然不對稱。

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時空聚焦技術

為了抑制寬場雙光子熒光顯微中的背景噪聲，2005年Zhu 等提出時空聚焦技術，以實現(xiàn)寬場3D層析成像。時空聚焦技術的原理如下圖所示。飛秒激光脈沖通過光柵對后形成具有空間色散的光束，為了補償光柵對帶來的負啁啾，需要對入射飛秒激光進行正啁啾補償。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到達，形成傅里葉變換極限的最短脈沖，而在焦平面外，脈沖在時域上被展寬。

圖2 時空聚焦原理示意圖

時空聚焦技術操控焦點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，實現(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)時空聚焦焦點的截面顯微圖像; (c)利用時空聚焦系統(tǒng)在Foturan玻璃內(nèi)部直寫的中國館結構

時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空聚焦技術的3D打印設備可以大幅拓展雙光子聚合打印的最終尺寸，并且可實現(xiàn)打印精度與成型尺度的有效兼顧。利用飛秒激光束時空聚焦脈沖，能夠有效操控激光焦點形態(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，超快激光脈沖的時空域控制可以實現(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行時域整形，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，在實驗中通常利用軸棱錐將高斯光束轉(zhuǎn)化為準貝塞爾光。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域引起了人們的廣泛關注。

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穩(wěn)定性。將這一光束聚焦于玻璃樣品背面，僅通過高強度的單發(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，一級旁瓣的強度約為中心光束的16%，這些旁瓣也會給樣品帶來不必要的損傷，特別是在加工吸收較強的材料時。此外，在生物成像中，旁瓣還會造成分辨率的降低。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域中的關鍵性問題。通過將光學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)加工應用中取得較好的效果。

總結

綜上所述，利用整形飛秒激光脈沖直寫技術在不同介電材料內(nèi)部實現(xiàn)了一系列3D功能微結構和復雜大尺寸結構。相比于傳統(tǒng)的飛秒激光直寫技術，基于整形飛秒激光脈沖的3D制備技術給人們帶來了更多的實現(xiàn)可能和更豐富的可操控性，而本文僅展示了這種技術的一個層面。從應用角度而言，整形飛秒激光脈沖加工技術在微流控、光子集成、太赫茲光學、3D打印等方面均有望發(fā)揮及其重要的作用，解決關鍵性的科學問題。同時，新穎的光場操控手段和器件也在不斷促進整形飛秒激光加工技術的發(fā)展。目前，該技術已經(jīng)日趨成熟，逐漸具備從實驗室走向?qū)嶋H應用的能力?？梢灶A見，在未來的科學研究和工業(yè)應用中，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域最重要、最前沿的技術手段之一，并推動智能制造向前發(fā)展。

作者：

喬玲玲1 , 儲蔚 1, 2* , 王哲 1, 3 , 程亞 1, 2**

1中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室

2華東師范大學物理與材料科學學院極端光機電實驗室

3上海科技大學物質(zhì)科學與技術學院

喬玲玲,儲蔚,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]. 光學學報，2019，39(1): 126012