傳(chuan) 統的飛秒激光3D直寫(xie) 係統由飛秒激光器、高數值孔徑(NA)物鏡以及3D加工平台構成，這種加工方式已經在微納加工領域得到了廣泛的應用。但是，為(wei) 了進一步實現高效率、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幹操控。由於(yu) 飛秒激光與(yu) 材料介質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-材料相互作用區超快光場的精確操控尤為(wei) 關(guan) 鍵。此外，由於(yu) 飛秒激光具有很寬的光譜範圍，因此可以在亞(ya) 周期時間量級上對飛秒激光脈衝(chong) 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(xie) 形貌控製、加工效率提升等方麵的應用。

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狹縫整形技術

在典型的飛秒激光3D加工過程中，飛秒激光脈衝(chong) 一般由顯微物鏡聚焦到材料內(nei) 部，以形成局域化的改性區域。激光聚焦焦點處光場在橫向(焦斑半徑方向)和軸向(激光傳(chuan) 播方向)的分布通常情況下並不平衡。除此之外，由於(yu) 飛秒激光與(yu) 材料作用的極端非線性，激光脈衝(chong) 的自聚焦在軸向會(hui) 更進一步使得改性區域的軸向尺寸遠大於(yu) 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(nei) 部掃描緊聚焦的飛秒激光焦點，可以在激光作用區域誘導折射率提高，從(cong) 而獲得光學導波效應。然而，由於(yu) 橫向和軸向加工不對稱，光波導的橫截麵呈現自然的橢圓形，從(cong) 而無法支持單模導波傳(chuan) 輸。

狹縫整形正是解決(jue) 該問題最為(wei) 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(ge) 衍射狹縫，進行橫向直寫(xie) ，狹縫的方向平行於(yu) 激光的直寫(xie) 方向，獲得縱向與(yu) 橫向間平衡的光學分辨率。該方法目前被廣泛運用於(yu) 飛秒激光直寫(xie) 三維光波導。利用這種方法製備出的光波導具有圓形對稱的截麵，能夠有效支持單模傳(chuan) 輸。

圖1(a)飛秒激光狹縫整形直寫(xie) 的實驗裝置示意圖; (b)傳(chuan) 統方式聚焦直寫(xie) 的波導截麵; (c)狹縫整形直寫(xie) 的波導截麵

狹縫整形技術的原理NA，增加該方向上激光焦斑的尺寸，並拓寬激光作用區域的寬度。

2009 年，飛秒激光直寫(xie) 被應用於(yu) 光量子芯片的製備與(yu) 集成。利用重複頻率為(wei) 1 kHz、中心波長為(wei) 800 nm、脈寬為(wei) 120 fs 的飛秒激光進行狹縫整型直寫(xie) ，可在高純度熔石英材料中成功製備出波導截麵為(wei) 圓形的定向耦合器，芯片插入損耗為(wei) 3 dB。在製備過程中采用狹縫整形的方法可實現光束整形。利用該器件演示的雙光子和三光子非經典幹涉實驗表明飛秒激光直寫(xie) 可以製備出高品質的量子信息器件。

將狹縫整形技術做進一步改進，可以高效製備出模場可控、偏振無關(guan) 的透明材料內(nei) 光波導。采用飛秒激光在透明材料中直寫(xie) 的光波導可分為(wei) 兩(liang) 類：

1) 激光輻照後，被輻照區域的折射率增加，光被限製在輻照區域，該方法形成的波導被稱為(wei) I類光波導;

2) 在更大通量的激光輻照後，激光輻照的區域相對其周圍區域折射率降低，形成波導的包層，從(cong) 而實現導光，這種波導被稱為(wei) Ⅱ類光波導。

Ⅱ類光波導大多數在晶體(ti) 或者ZABLAN玻璃中製備獲得，一般而言，Ⅱ類光波導可通過兩(liang) 種方式實現：

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(nei) 部同一深度直寫(xie) 出兩(liang) 道平行的痕跡。

基於(yu) 狹縫整形技術的飛秒直寫(xie) 為(wei) Ⅱ類光波導的製備提供了全新的高效解決(jue) 途徑。利用空間光調製器(SLM)加載有相位分布的閃耀光柵狹縫，當飛秒激光脈衝(chong) 經過光柵後產(chan) 生衍射強度分布，通過空間濾波將一級衍射光濾出，並通過物鏡聚焦進行直寫(xie) 。將基於(yu) 狹縫整形技術的飛秒直寫(xie) 與(yu) 上述的第二種直寫(xie) 方式相結合，可以在材料中高速製備出四麵合圍的“口”字型環狀光波導，且通過調節狹縫大小，能夠實現波導的模場變換。

狹縫整形技術實現簡單，操作靈活，缺點在於(yu) 造成了較大的激光能量損失。此外，狹縫整形隻能提供一維方向的整形，例如:狹縫沿yxOz平麵的光斑形貌近似為(wei) 圓形，而在yOz平麵的光斑依然不對稱。因此，整個(ge) 焦點的光場分布在3D空間內(nei) 依然不對稱。

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時空聚焦技術

為(wei) 了抑製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。飛秒激光脈衝(chong) 通過光柵對後形成具有空間色散的光束，為(wei) 了補償(chang) 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(chang) 。隨後，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後，僅(jin) 在焦平麵上各頻率分量同時到達，形成傅裏葉變換極限的最短脈衝(chong) ，而在焦平麵外，脈衝(chong) 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衝(chong) 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，實現飛秒激光大尺度3D微納加工。

圖3Foturan玻璃中(a)傳(chuan) 統聚焦和(b)時空聚焦焦點的截麵顯微圖像; (c)利用時空聚焦係統在Foturan玻璃內(nei) 部直寫(xie) 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。基於(yu) 時空聚焦技術的3D打印設備可以大幅拓展雙光子聚合打印的最終尺寸，並且可實現打印精度與(yu) 成型尺度的有效兼顧。利用飛秒激光束時空聚焦脈衝(chong) ，能夠有效操控激光焦點形態，從(cong) 而控製雙光子聚合區域的形狀。僅(jin) 通過調節飛秒激光入射功率，就能實現3D對稱打印分辨率的連續可調。

最近，超快激光脈衝(chong) 的時空域控製可以實現石英玻璃內(nei) 部的無像差3D加工。通過色散元件對初始飛秒激光脈衝(chong) 進行時域整形，使其獲得巨大的啁啾量，脈衝(chong) 寬度被展至數十皮秒。利用該激光脈衝(chong) 進行石英玻璃中的直寫(xie) ，能夠得到3D對稱的改性區。

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貝塞爾光束整形

Durnin等於(yu) 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的分布特征，因此又被稱為(wei) 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化為(wei) 準貝塞爾光。與(yu) 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(men) 的廣泛關(guan) 注。

飛秒激光貝塞爾光束在製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後生成了貝塞爾-高斯光束，在沿軸傳(chuan) 輸過程中能夠維持較長的傳(chuan) 輸距離和較好的光強穩定性。將這一光束聚焦於(yu) 玻璃樣品背麵，僅(jin) 通過高強度的單發飛秒脈衝(chong) 就可以在玻璃樣品中製備出直徑在200~800 nm範圍內(nei) 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(chan) 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製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(wei) 中心光束的16%，這些旁瓣也會(hui) 給樣品帶來不必要的損傷(shang) ，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(hui) 造成分辨率的降低。因此，如何抑製貝塞爾光束的旁瓣成為(wei) 微納加工和生物成像領域中的關(guan) 鍵性問題。通過將光學相位板引入貝塞爾光束整形，能夠在一定範圍內(nei) 有效抑製貝塞爾光束的旁瓣，在矽通孔(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衝(chong) 直寫(xie) 技術在不同介電材料內(nei) 部實現了一係列3D功能微結構和複雜大尺寸結構。相比於(yu) 傳(chuan) 統的飛秒激光直寫(xie) 技術，基於(yu) 整形飛秒激光脈衝(chong) 的3D製備技術給人們(men) 帶來了更多的實現可能和更豐(feng) 富的可操控性，而本文僅(jin) 展示了這種技術的一個(ge) 層麵。從(cong) 應用角度而言，整形飛秒激光脈衝(chong) 加工技術在微流控、光子集成、太赫茲(zi) 光學、3D打印等方麵均有望發揮及其重要的作用，解決(jue) 關(guan) 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展。目前，該技術已經日趨成熟，逐漸具備從(cong) 實驗室走向實際應用的能力。可以預見，在未來的科學研究和工業(ye) 應用中，基於(yu) 整形飛秒激光脈衝(chong) 的3D製備將成為(wei) 激光精密微加工領域最重要、最前沿的技術手段之一，並推動智能製造向前發展。

作者：

喬(qiao) 玲玲1 , 儲(chu) 蔚 1, 2* , 王哲 1, 3 , 程亞(ya) 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(dong) 師範大學物理與(yu) 材料科學學院極端光機電實驗室

3上海科技大學物質科學與(yu) 技術學院

喬(qiao) 玲玲,儲(chu) 蔚,王哲,程亞(ya) 基於(yu) 整形飛秒激光脈衝(chong) 的三維微納製備(特邀綜述)[J]. 光學學報，2019，39(1): 126012