飛秒激光燒蝕加工與雙光子聚合加工不同，它主要是通過去除材料表面或內(nèi)部微納米級的部分來實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)型。飛秒激光燒蝕材料時(shí)，電子與聲子進(jìn)行耦合時(shí)激光作用就已經(jīng)結(jié)束，因而幾乎沒有熱影響區(qū)，能實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量加工，如圖3(a)所示。

圖3 (a) .超短激光脈沖與材料相互作用; (b) 高斯光束的燒蝕閾值

飛秒激光能量密度分布一般為高斯型，只有當(dāng)激光能量超過材料的燒蝕閾值時(shí)，才能進(jìn)行燒蝕加工，如圖3(b)所示。2004年，Joglekar等將飛秒激光聚焦在玻璃表面，加工出線寬約30 nm的納米凹槽。

由此可見，飛秒激光直寫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種材料、多種方式的超精細(xì)加工，在微光學(xué)元件制備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，可為微光學(xué)元件的制備提供強(qiáng)有力的支持。

微光學(xué)元件的

飛秒激光制備

飛秒激光直寫技術(shù)作為微光學(xué)元件的重要制備方法，具有廣泛的應(yīng)用前景。利用飛秒激光直寫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)光學(xué)元件微小化，多種材料的飛秒激光直寫，并且無需掩模板，具有真三維、設(shè)計(jì)自由度高、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，研究者們已經(jīng)利用該方法在多種材料上制備出各種類型和功能的微光學(xué)元件，主要包括折射型光學(xué)元件、衍射型光學(xué)元件、波導(dǎo)和光纖光柵、微腔元件等。

折射元件

透鏡是一種很重要的折射元件，也是使用范圍最廣的光學(xué)元件。透鏡最基本的功能是用來成像，除此之外，還可用于光束準(zhǔn)直、光束整形等方面。隨著各種儀器設(shè)備向微小型化發(fā)展，透鏡也由宏觀走向微觀。單個(gè)微透鏡可以將光信號與光纖耦合，實(shí)現(xiàn)功能上的集成，同時(shí)也是各種微小設(shè)備必不可少的部件。在微透鏡的加工方面，傳統(tǒng)的加工方式已逐漸不適用。

飛秒激光具有超高精度的加工能力，同時(shí)可以靈活地進(jìn)行真三維加工，甚至可以在透明材料的內(nèi)部直接加工，在微透鏡的加工領(lǐng)域越來越常用。研究者們在各種材料、表面和內(nèi)部進(jìn)行了探索，實(shí)現(xiàn)了多種形式微透鏡的加工。

2010年，Qiao等利用飛秒激光在熔融石英芯片內(nèi)進(jìn)行微加工，實(shí)現(xiàn)微透鏡與微流控通道的集成。通過微透鏡和微流控通道的集成，在通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)了5倍的放大成像，這一技術(shù)在芯片實(shí)驗(yàn)室裝置的應(yīng)用上具有巨大潛力。

2011年，Qiao等將這種微透鏡用于生物組織的成像，發(fā)現(xiàn)其成像效果可以和同倍數(shù)的商用顯微鏡相媲美，顯示出飛秒激光加工微透鏡在生物成像和生物傳感方面的應(yīng)用前景。

2015年，Zheng等利用飛秒激光的熱累積燒蝕技術(shù)在PMMA內(nèi)部加工出腔微球透鏡。該項(xiàng)技術(shù)與傳統(tǒng)的表面加工相比要簡單、快速，同時(shí)有效焦距和視場等光學(xué)參數(shù)都可以在很大范圍里調(diào)控，將來可應(yīng)用于集成光流控芯片、光機(jī)電系統(tǒng)、太陽能電池和微廣角傳感和成像等領(lǐng)域。

2016年，Antipov等利用飛秒激光在單晶藍(lán)寶石的兩面各加工一個(gè)微凹透鏡，實(shí)現(xiàn)了X光在二維方向上聚焦，將三個(gè)這樣的微凹透鏡組疊在一起，可以使聚焦的尺寸更小。由于藍(lán)寶石具有優(yōu)良的熱學(xué)和光學(xué)性能，藍(lán)寶石微透鏡將成為聚焦X光的主要元件。