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發布時間：2024-01-31 來源：元祿光電
飛秒激光微納加工技術利用了飛秒激光超短的脈沖寬度、較強的功率密度和較高的激光頻率等加工特點，這種加工技術是在非常短的時間內產生大量超高壓力和超高溫度的等離子體而造成被加工材料的局域性微爆炸，進而完成對被加工材料進行準確燒蝕去除的微納加工方法。當超短脈沖激光與材料作用時，其具有熱作用區域小、激光分辨率高、能夠突破激光衍射的較高效應等特點。另外，超短脈沖激光與材料相互作用的時間非常短，其加工過程中的熱影響效應能夠被有效削弱，因此，人們對飛秒激光微納燒蝕石英玻璃等透明電介質材料進行了大量的理論和實驗研究。
石英材料在分子結構層面上是一種長程無序和短程有序的狀態，故其熱膨脹系數較低, 并表現出較好的高溫環境條件下的應用性能，進而被大量應用于激光武器、光學系統和激光核聚變等領域。在上述應用過程中，較多領域涉及制備石英玻璃微特征，但石英玻璃的硬度較高且容易碎裂，傳統的制造方法較難對復雜特征進行微納去除加工，而由于超短脈沖激光具有十分獨特的加工特點，因此便找到一種加工石英玻璃微特征件及微結構件的燒蝕方法。作者基于飛秒激光燒蝕透明電介質材料的作用去除機理，根據近年來國內外研究進展，對飛秒激光燒蝕減薄石英玻璃進行綜述。
飛秒激光燒蝕石英玻璃等透明電介質材料是一種非線性電離機制，主要表現為雪崩電離和多光子電離，電介質材料中的自由電子主要通過上述兩種機制來吸收入射激光能量，當材料導帶中的自由電子密度超出其臨界自由電子密度時，便會造成電介質材料的損傷, 從而達到去除的目的。
玻璃材料內種子自由電子的數量非常少，但這種種子自由電子可以連續地吸收入射激光光子能量，從而具備特定的動能，這屬于自由載流子吸收，如圖 1a所示。當種子自由電子的動能超出電介質材料的禁帶寬度時，材料中的束縛電子會與種子自由電子產生碰撞而被電離到導帶，這屬于碰撞電離，如圖 1b所示。在激光能量較高的情況下，通過碰撞電離產生的新種子自由電子將會持續碰撞材料內部的其它束縛電子，這會激發出數量更多的自由電子，并使其數目表現出指數式的增長規律，這屬于雪崩電離。
圖 1 雪崩電離示意圖
a—自由載流子吸收 b—碰撞電離
Figure 1. Schematic of avalanche ionization process
a—free carrier absorption b—impact ionization
為準確描述雪崩電離機制，一般采用Thornber雪崩電離系數α(E)來描述碰撞電離速率與電場強度之間的變化規律：
α(E)=eEΔexp[?EiE(1+E/Ep)+Et]α(E)=eEΔexp?[?EiE(1+E/Ep)+Et] | (1) |
式中, E為電場強度，Δ為禁帶寬度，e為電子電荷，Et為載流子克服熱散射所需的場強，Ep為克服光學聲子散射所需的場強，Ei為克服電離散射所需的場強。
石英玻璃的禁帶寬度一般比超短脈沖激光的單光子能量大，使得石英玻璃等電介質材料對入射激光能量的吸收效率較低，進而導致這種材料較難吸收單個光子能量。在超短脈沖激光的能量密度以及光子簡并度較高的條件下，材料中的束縛電子同時吸收多個光子能量的效率將顯著增加。當束縛電子在吸收激光能量后所具有的動能超出電介質的禁帶寬度時，其會被激發到導帶成為自由電子，這屬于多光子電離，如圖 2所示。其中Ephoton表示入射光子能量。
圖 2 多光子電離示意圖
Figure 2. Schematic of multiphoton ionization process
為準確表征多光子電離機制，一般采用Keldysh光致電離系數WPI(E)來描述其與電場強度之間的變化規律:
WPI(E)=29πω(mω?)3/2Φ((2N?2Δ?ω)3/2)×exp(2N∣∣1?e2E24mω2U∣∣)(e2E216mω2U)NWPI(E)=29πω(mω?)3/2Φ((2N?2Δ?ω)3/2)×exp?(2N|1?e2E24mω2U|)(e2E216mω2U)N | (2) |
式中, ω為激光頻率，?為普朗克常數，m為空穴對有效質量，N為一個束縛電子被電離時所吸收的光子數目，Φ(·)為Dawson積分，U=Δ-e2E2/(4mω2)。
多光子電離機制和雪崩電離機制有相似之處，兩種機制都是一種非線性電離機制。在激光能量密度較高時，多光子電離機制占主導地位；在激光能量密度較低時，雪崩電離過程也可發生。因此，雪崩電離機制的激發條件范圍更廣，而多光子電離機制的激發條件相對更嚴格，但兩種電離機制的主導地位在飛秒脈沖的脈寬區間內是能夠進行過渡轉換的。
飛秒激光微納加工石英玻璃等透明電介質具有獨特優勢，因此被廣泛用于制備微流道、微透鏡、光存儲、光柵和光波導等微結構，以及制備燒蝕點、燒蝕線和燒蝕面等微特征。此外，激光精密減薄石英玻璃是基于點、線、面激光燒蝕工藝的精密逐層去除，因此主要對燒蝕點、線、面減薄技術進行研究和分析。
飛秒激光誘導燒蝕點是燒蝕線和燒蝕面減薄的基礎，已被廣泛研究和應用。NIETO等人利用飛秒、皮秒和納秒不同脈沖寬度激光在硼硅酸鹽玻璃、石英玻璃、藍寶石和鈉鈣玻璃基材上進行燒蝕點實驗，如圖 3所示。研究表明，脈沖寬度差異將導致燒蝕特征的明顯不同，并且飛秒激光燒蝕不會出現皮秒和納秒激光燒蝕產生的較大熱影響區。YAN等人研究飛秒激光脈沖能量對石英玻璃熱影響區的影響規律，當脈沖能量低于1 μJ時，燒蝕點直徑小于4 μm，此時熱影響區不明顯。VARKENTINA等人在激光波長1030 nm、脈沖寬度390 fs條件下，通過改變脈沖數量和光強度對燒蝕點加工質量進行分析，發現當光強度超過5.2 TW/cm2時，燒蝕點周圍濺射碎片較少，微特征質量較好。RUEDA等人通過調整激光波長和單脈沖能量對石英玻璃燒蝕點直徑進行了研究，同時分析了燒蝕點對折射率的影響規律。
圖 3 單脈沖激光不同脈沖寬度下的燒蝕點微特征
Figure 3. Characteristics of ablation spots under different duration of single-pulse
飛秒激光燒蝕點減薄過程中，可誘導制備周期性微特征。GR?F等人利用脈沖寬度300 fs、波長1025 nm、頻率1 kHz飛秒激光在石英玻璃表面誘導燒蝕點周期性微特征，如圖 4所示。結果表明，周期性微特征空間頻率與能量密度呈現相關性，且發現高頻周期微特征一般與線偏振電場方向垂直，而低頻周期微特征則與電場方向平行。KUNZ等人采用不同能量密度誘導周期性微特征時，發現燒蝕點中心區域呈現出低頻周期微特征，而燒蝕點周圍為高頻周期微特征，其認為這與高斯形狀的脈沖能量分布有關。XU等人對比研究了在空氣和真空兩種不同環境下高、低頻周期微特征的差異性，并基于流體原理分析差異產生的原因。CHEN等人在能量密度2.8 J/cm2和掃描速率3.1 mm/s條件下誘導出周期為715 nm的低頻周期微特征，分析認為: 采用柱面透鏡誘導出的微特征比采用球面透鏡的更具周期性規律。
圖 4 不同能量密度F和基材溫度Ts下燒蝕點周期微特征
Figure 4. Periodic characteristics under different densities F and temperatures Ts
針對亞波長周期結構的形成機理，研究者提出了多種理論，但普遍認為這主要是由于入射激光與等離激元波相互干涉產生的。對于透明電介質材料，當激光與物質表面相互作用時，會產生納米結構特征而導致物化性質的變化，進而使得入射飛秒激光能量在空間層面呈現出周期性規律。超短脈沖激光與等離激元波的耦合效率在脈沖數量增大的條件下會顯著增強，并最終造成亞波長周期結構的產生。
基于燒蝕點微特征研究燒蝕線微特征是飛秒激光精密減薄石英玻璃的重要環節，并將對后續燒蝕面微特征加工質量產生影響。JIAN等人研究了重復頻率f、激光功率P、掃描速率v和掃描次數n對燒蝕線表面形貌的影響規律，如圖 5所示。得到在脈寬290 fs和波長343 nm條件下，激光加工的較優參數為：f=250 kHz、P=1.5 W、v=100 mm/s。MA?ERNYTé等人對比分析了玻璃在空氣中和KOH溶液中燒蝕線微特征加工質量的不同，并發現在KOH溶液中的微特征邊緣未見明顯的燒蝕沉積物。SUN等人[63]分別在常溫、400 ℃和800 ℃條件下研究溫度對石英玻璃燒蝕微特征表面粗糙度的影響機理，研究表明，溫度升高將導致材料晶粒減小，進而使得表面粗糙度降低，微特征加工質量提高。
圖 5 激光參數對燒蝕線微特征的影響規律
Figure 5. Influence of laser parameters on groove morphology
飛秒激光誘導選擇性蝕刻(femtosecond laser induced selective etching, FLISE)技術被QI等人進行了研究，該技術可基于燒蝕線減薄工藝制備微流道或光波導等微結構，其主要通過控制重復頻率Rrep和脈沖間隔TPI來達到選擇性蝕刻的目的，如圖 6所示。結果表明，當重復頻率接近1 MHz時，材料的局部燒蝕熱熔和重結晶玻璃化將顯著抑制選擇性蝕刻速率。GAUDIUSO等人認為可用單點平均脈沖數量(pulses per spot, PPS)來綜合表征移動速度和重復頻率的影響，并分別在PPS為48和96情況下分析了燒蝕線特征微裂紋和微劃痕的產生機理。MOUSKEFTARAS等人設計了一種雙光束激光系統來提高微特征蝕刻速率，并與單光束蝕刻速率進行對比, 結果發現，雙光束蝕刻速率明顯高于單光束，且燒蝕質量有所提高。MICHELE等人采用1030 nm近紅外波長和343 nm紫外波長飛秒激光制備光波導，發現紫外波長激光蝕刻效率優于近紅外波長。參考文獻中主要研究的是低脈沖能量燒蝕，其將導致材料各向同性的正折射率變化，而高功率燒蝕屬于高脈沖能量燒蝕，其將導致材料產生負折射率變化。
圖 6 飛秒激光選擇性蝕刻微特征
Figure 6. Selectively etched microchannels by femtosecond laser
飛秒激光燒蝕面減薄應基于燒蝕點和燒蝕面減薄優化后的工藝參數，并通過控制離焦量、掃描路徑、重疊率等參數實現對石英玻璃的精密減薄去除。SCHWARZ等人利用脈寬230 fs、波長515 nm激光，研究激光離焦量Δz在0.25 μm~0.50 μm范圍內燒蝕面特征的變化規律。由圖 7a可以看出，只有當Δz在0.25 μm~0.35 μm范圍時，燒蝕底部保持平整；當Δz超過0.4 μm時，底部燒蝕質量變差。此外，由圖 7b可知，燒蝕深度在Δz=0.40 μm時達到較大值，而Δz從0.25 μm增大到0.50 μm時，表面粗糙度Ra整體上呈現增大趨勢；從圖 7c中同樣可得Δz=0.4 μm時的燒蝕面Ra較Δz=0.35 μm的大。
圖 7 離焦量Δz對燒蝕面的影響
a—橫截面圖 b—燒蝕深度和表面粗糙度測量值 c—掃描電鏡形貌
Figure 7. Influence of focus adjustment Δz
a—cross section b—measured ablation depth and roughness c—scanning electron microscope images
XU等人在掃描速率1 mm/min、激光能量50 mW和光斑直徑15 μm不變的條件下，在石英玻璃上制備出180 μm× 200 μm的燒蝕面，如圖 8所示。可以看出，在燒蝕面表面出現微溝槽，并隨著偏移距離增大，微溝槽周期性間距增大，從而導致表面粗糙度Ra增大。
圖 8 不同偏移距離的燒蝕面
Figure 8. Ablation surfaces of different offset distances
WU等人由實驗得到燒蝕線減薄優化后的工藝參數為: 脈沖能量8 μJ，掃描速率0.2 mm/s，實驗制備出1200 μm×260 μm的燒蝕面，如圖 9所示，線重疊率δ分別為40%、60%和80%。結果顯示，燒蝕面條紋間距隨δ增大而減小，這使得表面粗糙度Ra也相應減小；當δ=80%時, 幾乎觀察不到明顯條紋結構，如圖 9c所示。
圖 9 不同線重疊率燒蝕面形貌
Figure 9. Ablation morphology of different overlap rates
QUESTE等人微納加工出長×寬×高= 4000 μm×100 μm×140 μm帶儲液槽的微流道，如圖 10a所示。該結構通過先燒蝕微流道再燒蝕儲液槽的工藝方案來實現。實驗中所采用激光參數為: 脈寬120 fs，重復頻率5 kHz；微流道末端儲液槽側壁角為80°~85°，微流道底面粗糙度Ra為100 nm~150 nm。
圖 10 飛秒激光減薄制備微特征
a—帶儲液槽的微流道 b—平底面微流道 c—局部放大圖 d—底面放大圖
Figure 10. Femtosecond laser ablation microfeatures
a—channel with reservoir b—flat bottom channel c—close-up of the channel d—close-up of the channel bottom
微透鏡的常見基本應用是成像，其它應用還包括光束的整形和準直等，單個微透鏡可通過將光信號和光纖進行耦合來達到功能上的組合集成。CHEN等人通過飛秒激光在石英玻璃表面先加工出正方形和正六邊形的陣列特征，然后使用一定濃度的氫氟酸溶液進行腐蝕，最終制備加工出形狀規則的正多邊形微凹透鏡陣列，如圖 11所示。DENG等人利用腐蝕作用和飛秒激光相結合的方法，在玻璃的兩個表面上均制備出微凹透鏡陣列結構，這種陣列結構可以用來對光束進行均勻化處理。
圖 11 微透鏡的場發射掃描電鏡圖像
a—正方形陣列 b—六邊形陣列
Figure 11. Field emission scanning electron microscope image of microlens
a—square array b—hexagonal array
光纖內部或其表面加工有光柵的光纖稱為光纖光柵。傳統的激光干涉方法制備出的光柵周期是固定的，且加工精度不高；飛秒激光可以實現在光纖內部空間或光纖表面位置進行加工去除，其空間分辨率高，光柵周期可以根據需要進行調整，并可實現對折射率、溫度、扭矩和彎矩等多種物理參數進行檢驗測量。LI等人通過飛秒激光能夠進行逐點燒蝕的方法，在光纖內部空間范圍內制備出長周期的光柵結構，如圖 12所示。此種微結構能夠在高溫傳感領域應用，且具有較高靈敏度和較好穩定性。CUI等人在錐形結構的光纖中制備了布喇格光柵，這種光柵可用于彎矩和曲率變化較小的檢測等集成系統領域。
圖 12 光纖光柵微結構
Figure 12. Microstructure of fiber grating
2.4.3 微腔結構
微腔結構是尺寸在微米或亞微米量級的圓盤微結構，主要應用于光學信號的變換、非線性光學系統以及測控傳感系統等。LIN等人利用超短脈沖激光直寫和腐蝕作用組合的方式，在石英玻璃上制備了Q值較高的3維空間環形微腔結構，如圖 13所示。這種微腔結構屬于無源器件，并能夠在結構表面涂覆增益介質，從而可用來提高系統的光學輸出特性。
圖 13 不同高度的環形微腔
Figure 13. Annular microcavities of different heights
注明 文章來源 激光技術網 http://www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.100
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