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工業(yè)應用
飛秒激光在精密光子制造中的應用
材料來源:光電查           錄入時間:2024/3/1 21:05:39

為什么要在精密光子制造中使用飛秒激光器?

飛秒激光器發(fā)射的超短光脈沖持續(xù)時間低于一皮秒,達到飛秒級(1 fs = 10-15 s)。飛秒激光的特點是脈沖寬度極短,峰值功率極高。

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超短脈沖串可最大限度地減少殘余熱量,確保材料的精確加工,同時將附帶損傷降到最低。飛秒激光的峰值強度高,可誘發(fā)多光子電離和等離子體形成等非線性光學相互作用,為各種應用提供精確的激光能量空間控制。飛秒激光的非線性約束效應可實現(xiàn)納米級分辨率,其特征小于光的衍射極限。這些激光器用途廣泛,可用于各種材料,包括金屬、半導體、陶瓷、聚合物和復合材料,無需掩膜或光刻膠。飛秒激光在透明材料中的聚焦能力還有助于創(chuàng)建復雜的 3D 結構,這對制造集成光子芯片至關重要?傊,飛秒激光是精密微加工和光子制造的理想選擇。

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在精密光子制造中的應用

光子晶體的光刻技術

要在近紅外和可見光范圍內有效控制光子晶體中的光線,對單元結構和間隙進行精確的納米級控制至關重要。飛秒激光器可直接在透明材料中制造 3D 微納結構,利用其超短脈沖持續(xù)時間實現(xiàn)超高精度,在制造這些結構方面表現(xiàn)出色。

在《Science & Applications》上發(fā)表的一項研究介紹了一種利用納米級飛秒激光多光束光刻技術制造光子晶體結構的方法。研究人員將可控多光束光場聚焦于晶體內部,并將其與化學蝕刻相結合。這種方法可以精確控制亞波長尺寸的結構單元和間隙,克服了單光束加工的局限性。

所提出的方法既經(jīng)濟又簡單,可在晶體內部形成 3D 光子晶體結構,有望應用于光通信和光操縱領域。

簡化周期性納米結構制造

隨著材料科學和納米制造技術的進步,人們開始探索用于先進光子學應用的周期性納米結構表面,如等離子體和介電超表面。傳統(tǒng)上,這些周期性表面結構(PSS)的加工采用光刻方法,既復雜又耗時。然而,聚焦飛秒激光提供了一種適用于各種材料的一步式、無掩膜、高效的替代方法。這樣就可以通過激光誘導 PSS(LIPSS)產(chǎn)生小于激光波長的特征。

最近的研究,特別是對鈮酸鋰等寬帶隙透明晶體的研究,展示了飛秒激光在通過受控加熱策略制造具有增強光吸收的大面積 LIPSS 方面的潛力。這為鈮酸鋰以外的電介質晶體的精密制造提供了一條大有可為的途徑。

設計 3D 光子集成結構

飛秒激光直寫技術為在透明基底上制造 3D 光子集成芯片(PIC)提供了巨大的潛力。然而,該技術面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)是如何在激光照射區(qū)域內實現(xiàn)平滑且較大的折射率變化,這阻礙了緊湊型光子集成芯片的開發(fā)。

發(fā)表在《Science China Physics, Mechanics & Astronomy》上的一項研究解決了這一問題,提出了一種顯著抑制小曲率半徑波導彎曲損耗的方法,從而為縮小 3D 光子集成芯片鋪平了道路。所提出的方法包括利用飛秒激光直寫技術在熔融石英中刻入多條修改軌道,從而增強折射率對比度,并成功降低彎曲波導中的彎曲損耗。這一突破有望提高 3D 光子器件的集成密度和靈活性。

介電材料中的 3D 微結構和納米結構

飛秒激光輻照后化學蝕刻(FLICE)利用激光誘導的化學特性變化,選擇性地蝕刻激光改性區(qū)域。這使得復雜的 3D 微觀和納米結構可以直接寫入介電材料內部。FLICE 已被用于在眼鏡中創(chuàng)建用于微流體和 3D 光流體的嵌入式中空微結構。

最近的工作已在 YAG 和藍寶石等晶體中實現(xiàn)了超過 100,000 的超高蝕刻選擇性。這使得 3D 光子晶格、波導和納米孔在納米尺度上得以實現(xiàn),而無需破壞晶體。

表面光刻

作為一種無掩模、高精度的 3D 加工技術,飛秒激光加工可以在薄膜鈮酸鋰等材料上進行表面光刻。這一突破成功地克服了材料集成方面的挑戰(zhàn),實現(xiàn)了高性能光子元件的制造。例如,研究人員利用飛秒激光輔助化學機械拋光光刻技術(CMPL)在鈮酸鋰芯片上制造出了低損耗波導和高Q值微諧振器。這種加工策略具有強大的潛力,可將不同的晶體平臺功能化,用于集成光子學。

高速、高質量硅燒蝕

使用飛秒激光進行硅燒蝕是指利用超短脈沖群精確地去除硅基板上的材料。這一過程在精密光子學中至關重要,它能以最小的熱損傷創(chuàng)建復雜的結構,從而制造出高質量的光學設備,如光波導。

理化學研究所先進光子學中心的研究人員開發(fā)出了一種名為 BiBurst 模式的新技術,它使用GHz飛秒激光脈沖在MHz包絡中分組,用于高效和高質量的硅燒蝕。這些研究成果發(fā)表在《International Journal of Extreme Manufacturing》上。

研究小組證明,利用 BiBurst 模式,硅燒蝕的速度是單脈沖模式的 4.5 倍,而且質量更優(yōu)。其機理是后續(xù)脈沖吸收了前面脈沖產(chǎn)生的吸收位點,從而提高了效率。這一突破將對飛秒激光加工的基礎研究和工業(yè)應用產(chǎn)生重大影響,從而提高吞吐量和微加工精度。

制造量子光子處理器

飛秒激光寫入(FLW)因其低成本、簡便性和快速原型制作能力而在無源和可重構集成光子芯片領域脫穎而出。該技術的快速可重構性使其對光學實驗室的初始階段評估具有重要價值。

發(fā)表在《Applied Physics Letters》上的一項研究采用 FLW 技術制造了一個可編程的雙量子比特量子光子處理器。制造出的 FLW 量子處理器實現(xiàn)了高保真,單量子比特門達到 99.3%,雙量子比特 CNOT 門達到 94.4%。盡管存在傳播損耗和低折射率對比等挑戰(zhàn),但 FLW 芯片與標準單模光纖的耦合自然損耗低,為量子光子實驗提供了優(yōu)勢。

結論

飛秒激光加工正迅速成為推進光子制造的關鍵技術,為設計和架構帶來新的可能性。當前的發(fā)展態(tài)勢表明,未來幾年飛秒激光加工在工業(yè)界和學術界的影響力將繼續(xù)擴大。

參考文獻:

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【8】Ródenas, A.等人,《Three-dimensional femtosecond laser nanolithography of crystals》,《Nature Photonics》(2019)

轉自:光電查

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