1、背景

紅外光在電磁波譜中介於(yu) 可見光與(yu) 微波之間，波長為(wei) 0.76～1000 μm，在航空航天、生物醫學等領域廣泛應用。為(wei) 實現對紅外輻射的可控傳(chuan) 輸、調製、探測，傳(chuan) 統的紅外光學器件逐漸發展為(wei) 微納米結構構成的紅外微光學器件，以優(you) 化高分辨率成像、弱信號探測等性能。

硬脆材料在極端環境下具備優(you) 異性能，在航空航天等領域不可或缺。然而，硬脆材料的高精度微納製備麵臨(lin) 挑戰。為(wei) 解決(jue) 這一問題，研究人員探索了金剛石車削、光刻、納米壓印、飛秒激光等高精密製造方法。其中，飛秒激光以其極短脈衝(chong) 寬度、高峰值功率和真三維加工能力成為(wei) 研究熱點，可在硬脆材料表麵及內(nei) 部製備高精度真三維微納結構，適用於(yu) 光學、機械、電子等領域的微納器件製備。

吉林大學劉學青副教授團隊總結了近年來飛秒激光加工在硬脆材料紅外微光學器件製備及應用方麵的進展，介紹了主要的飛秒激光加工技術、常用的紅外硬脆材料以及製備出的多種紅外微光學器件及其應用，並展望了未來基於(yu) 飛秒激光加工的紅外微光學器件的發展前景。

2.飛秒激光加工技術

飛秒激光直寫(xie) 燒蝕加工是通過物鏡將激光聚焦在材料表麵，通過激光焦點的移動來實現材料的燒蝕去除。這種方法工藝簡單，但缺點在於(yu) 效率較低，並且加工後材料表麵粗糙度較大[圖1(a)]。

為(wei) 了解決(jue) 以上問題，刻蝕輔助飛秒激光加工技術被提出，其原理是激光輻照區被改性，在後續刻蝕過程中與(yu) 未輻照區形成顯著的刻蝕速率差，從(cong) 而實現材料的高精密且低粗糙度的加工，並且可以實現內(nei) 部三維微納結構的加工[圖1(b)]。

針對效率低的問題，飛秒激光光束幹涉技術通過將激光分束成兩(liang) 束或多束，在材料表麵發生激光幹涉，會(hui) 形成較大麵積的幹涉區域，有利於(yu) 大麵積加工，提升加工效率，此時能量呈現周期性分布，特別適合製作光柵等周期性結構[圖1(c)]。

為(wei) 了在提高效率的同時增加加工的靈活性，光場調製飛秒激光加工技術被提出，可以通過空間光調製器（SLM）對原有的高斯光斑進行相位、振幅等特性的調控以提升加工效率、改變加工形貌等[圖1(d)]。

圖1 不同飛秒激光加工技術。（a）飛秒激光直寫(xie) 加工；（b）刻蝕輔助飛秒激光加工；（c）飛秒激光幹涉加工；（d）光場調製飛秒激光加工

3.紅外光學材料

紅外光學硬脆材料具有物理化學性質穩定、強度和硬度高、環境適應力強等特點。針對不同的紅外波段和不同的應用需求，在製備紅外微光學器件之前應該選用合適的紅外光學硬脆材料。表1為(wei) 紅外輻射領域常用的硬脆材料及適用波段。

表1 紅外輻射領域常用的硬脆材料及適用波段

4.紅外微光學器件

近年來，科研人員們(men) 針對飛秒激光加工硬脆材料的各種類型紅外微光學器件做了大量研究，這些器件可以簡單分為(wei) 折射器件、衍射器件、抗反射結構器件和超表麵結構器件等。

折射器件如紅外微透鏡在紅外成像、光束整形等方麵具有重要應用。科研人員通過飛秒激光輔助濕法刻蝕技術，成功製備了矽基微透鏡陣列，實現了超大規模微透鏡的製備，適用於(yu) 激光的光束勻化器等領域。同時，飛秒激光輔助幹法刻蝕技術也被引入，成功製備了矽、碳化矽、砷化镓以及金剛石等硬脆材料的微透鏡陣列，展現了在硬脆材料高精密微加工領域的廣泛應用前景[圖2(a)]。

常見的衍射器件包括光柵結構和菲涅耳透鏡等，例如，科研人員運用幹法刻蝕輔助飛秒激光無掩模灰度直寫(xie) 技術，在矽表麵上實現了連續麵型菲涅耳透鏡，展現了優(you) 良的聚焦和成像性能。

紅外透過窗口在紅外檢測、熱成像等領域應用廣泛。采用傳(chuan) 統的增透膜技術存在著易受損等問題，因此，科研人員開始構建抗反射微結構來實現穩定的增透或減反效果。矽表麵上形成的激光誘導周期性表麵結構在可見和近紅外波段（250~2500 nm）顯著抑製了矽表麵的反射。

超表麵結構，作為(wei) 在二維平麵上精確定義(yi) 的微細結構，具有精確操控入射電磁波傳(chuan) 播和散射行為(wei) 的能力。在硫化鋅和非晶矽薄膜上，科研人員通過飛秒激光技術成功製備了超表麵結構，為(wei) 電磁波的控製提供了新的可能性[圖2(d)]。

圖2 不同紅外微光學器件。（a）微透鏡陣列；（b）衍射光柵；（c）抗反射結構；（d）超表麵結構

5.紅外微光學器件的應用

科學家們(men) 通過飛秒激光技術在硬脆材料上製備了各類紅外微光學器件，包括折射器件、衍射器件等，這些創新為(wei) 紅外技術的應用領域帶來了全新的可能性。紅外微光學器件在傳(chuan) 感與(yu) 成像、紅外探測、紅外透明窗口和激光源等方麵均得到了廣泛應用。

紅外傳(chuan) 感器廣泛應用於(yu) 軍(jun) 事與(yu) 民生等領域。利用紅外波段的電磁波實現環境測量，能夠在屏幕上看到肉眼無法直接觀察到的紅外圖像。現代微光學成像元件中，微透鏡及其陣列起著不可或缺的作用，科學家們(men) 通過飛秒激光技術在矽、硫係玻璃、硒化鋅等材料上製備微透鏡陣列，實現了高透明度和優(you) 異的紅外成像性能[圖3(a)]。

在矽微紋理表麵製備的“黑矽”結構是紅外探測器的理想選擇。通過多次內(nei) 反射降低矽表麵的有效反射率，“黑矽”結構具有出色的紅外吸收特性，為(wei) 矽光電探測領域帶來了新的可能性[圖3(b)]。此外，研究人員還通過飛秒激光技術製備了超表麵，實現了超過80%的共振吸收，為(wei) 紅外探測器的設計提供了新思路。

作為(wei) 紅外探測技術的核心部件，紅外窗口材料需要在紅外波段具備卓越的透射效果和機械強度。科學家們(men) 通過飛秒激光技術在藍寶石、硫化鋅等硬質材料表麵製備微結構，有效增加了窗口的透過率。相較於(yu) 傳(chuan) 統的薄膜增透技術，該方法更穩定，可拓展紅外窗口材料的設計思路[圖3(c)]。

在紅外激光源方麵，飛秒激光技術為(wei) 製備陶瓷通道波導激光器提供了可靠的工藝。科學家們(men) 成功地製備了連續波和被動調Q狀態下工作的Er:Y2O3陶瓷通道波導激光器，為(wei) 中紅外陶瓷加工技術開辟了新的可能性[圖3(d)]。

圖3 各類紅外微光學器件的相關(guan) 應用。（a）紅外傳(chuan) 感與(yu) 成像；（b）紅外探測器；（c）紅外增透窗口；（d）紅外激光源

6.總結與(yu) 展望

紅外微光學器件以其體(ti) 積小、重量輕、製造方法靈活、便於(yu) 集成等特點，正引領紅外技術的創新應用，將為(wei) 紅外傳(chuan) 感與(yu) 成像、紅外探測和紅外增透窗口等領域的應用帶來巨大的推動力。硬脆材料的卓越物理化學穩定性為(wei) 這些器件提供了更廣泛的應用場景，激發了對高精密微加工技術的新要求。

飛秒激光加工技術的崛起為(wei) 高精密製備硬脆材料紅外微光學器件提供了新的解決(jue) 方案，極大提高了加工的靈活性。然而，目前飛秒激光加工製備紅外微光學器件仍麵對一些挑戰，如光學元件表麵粗糙度較大和針對不同材料開發相對應的高精密加工工藝，解決(jue) 這些問題將促進飛秒激光在紅外微光學器件製備領域得到更廣泛地應用。

課題組介紹

吉林大學超快光電技術團隊依托於(yu) 集成光電子學國家重點實驗室，主要研究方向包括微納結構與(yu) 器件加工中的光與(yu) 物質非線性相互作用研究，聚焦激光精密加工和納米製造關(guan) 鍵技術，致力於(yu) 為(wei) 超快激光加工器件功能化、效率和精度提升做出創新貢獻，探索超快激光三維精密加工技術在微光學、微電子、微機械、微流控、微傳(chuan) 感、生物與(yu) 仿生等廣泛領域的應用，並建立具有自主知識產(chan) 權的超快激光微納加工技術和裝備體(ti) 係，為(wei) 基礎研究和國防高技術領域若幹緊迫需求提供解決(jue) 方案。

更多信息可訪問主頁：https://cufo.jlu.edu.cn/index.htm

通信作者簡介

劉學青，吉林大學副教授，博士生導師。主要從(cong) 事超快激光精密加工技術研發及其在硬脆材料特種光電器件製備方麵的研究工作。在Laser Photonics Rev., Adv. Funct. Mater., PhotoniX等雜誌上發表SCI論文40餘(yu) 篇，部分論文入選高被引論文；申請/授權國家發明專(zhuan) 利7項；主持國家自然科學基金、省重大子課題、省重點等項目5項；擔任中國機械工程學會(hui) 極端製造分會(hui) 委員，fun88官网平台雜誌社《fun88官网平台》、Frontiers of Optoelectronics以及Nanotechnology and Precision Engineering等雜誌青年編委，入選2023年度 “全球前2%頂尖科學家榜單”。

來自：激光評論