飛秒激光在精密光子學製造中的應用

飛秒激光器發射持續時間低於一皮秒的超短光脈衝，達到飛秒級（1fs=10^-15s）。飛秒激光的特點是脈衝寬度極短，峰值強度高。

超短脈衝串可最大限度地減少殘餘熱量，確保材料的精確加工，同時將附帶損傷降到最低。其峰值強度高，可誘發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製。

飛秒激光的非線性約束效應可實現納米級分辨率，其特征小於光的衍射極限。這些激光器用途廣泛，可用於各種材料，包括金屬、半導體、陶瓷、聚合物和複合材料，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於創建複雜的三維（3D）結構，這對製造集成光子芯片至關重要。

總之，飛秒激光是精密微加工和光子製造的理想選擇。

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飛秒激光在精密光子製造中的主要應用如下：

光子晶體(ti) 的光刻

要在近紅外和可見光範圍內有效控製光子晶體中的光，對單元結構和間隙進行納米級的精確控製至關重要。飛秒激光器可直接在透明材料中製造三維微納結構，利用其超短脈衝持續時間實現超高精度，在製造這些結構方麵表現出色。

發表在《光：科學與應用》上發表的一項研究證明了這一點，該研究介紹了一種利用納米級飛秒激光多光束光刻技術製造光子晶體結構的方法。研究人員將可控多光束光場聚焦於晶體內部，並將其與化學蝕刻相結合。這種方法可以精確控製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。

所提出的方法既經濟又簡單，可在晶體內實現三維光子晶體結構，有望應用於光通信和光操縱領域。

簡化周期性納米結構製造

隨著材料科學和納米製造技術的進步，人們開始探索用於先進光子學應用的周期性納米結構表麵，如等離子體和介電元表麵。傳統上，這些周期性表麵結構（PSS）的加工采用光刻方法，既複雜又耗時。

然而，聚焦飛秒激光器提供了一種適用於各種材料的一步到位、無需掩模且高效的替代方法。這樣就可以通過激光誘導 PSS（LIPSS）製造出比激光波長更小的特征。

最近的研究，尤其是對铌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製造具有增強光吸收的大麵積 LIPSS 方麵的潛力。這為铌酸鋰以外的電介質晶體的精密製造提供了一條前景廣闊的途徑。

設計三維光子集成結構

飛秒激光直寫技術為在透明基底上製造三維光子集成電路（PIC）提供了巨大的潛力。然而，該技術麵臨的一個關鍵挑戰是如何在激光照射區域內實現平滑且較大的折射率變化，這阻礙了緊湊型光子集成電路的開發。

發表在《中國科學：物理、力學、天文學》（Science China Physics, Mechanics & Astronomy）上的一項研究解決了這一問題，提出了一種顯著抑製小曲率半徑波導彎曲損耗的方法，從而為縮小三維光子集成電路鋪平了道路。

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，並成功降低彎曲波導中的彎曲損耗。這一突破有望提高三維光子器件的集成密度和靈活性。

介電材料中的三維微納米結構

飛秒激光輻照後化學蝕刻（FLICE）利用激光誘導的化學特性變化，選擇性地蝕刻激光修飾區域。這使得複雜的三維微觀和納米結構可以直接寫入介電材料內部。FLICE 已被用於在眼鏡中創建微流體和三維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了超過 100,000 的超高蝕刻選擇性。這使得三維光子晶格、波導和納米孔在納米尺度上得以實現，而無需破壞晶體。

表麵光刻技術

作為一種無掩模、高精度的三維加工技術，飛秒激光加工可以在薄膜铌酸鋰等材料上進行表麵光刻。這一突破成功地克服了材料集成方麵的挑戰，實現了高性能光子元件的製造。

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）在铌酸鋰芯片上製造出了低損耗波導和高Q值微諧振器。這種加工策略具有很強的潛力，可將不同的晶體平台功能化，用於集成光子學。

高速、高質量矽燒蝕

使用飛秒激光進行矽燒蝕是指利用超短脈衝群精確地去除矽基片上的材料。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建複雜的結構，從而製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出了一種名為 BiBurst 模式的新技術，它使用以 MHz 包絡線分組的 GHz 飛秒激光脈衝猝發來實現高效和高質量的矽燒蝕。這些研究成果發表在《國際極端製造期刊》上。

研究小組證明，利用 BiBurst 模式，矽燒蝕的速度是單脈衝模式的 4.5 倍，而且質量更優。其機理涉及後續脈衝對前麵脈衝產生的吸收點的吸收，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應用產生重大影響，從而提高吞吐量和微加工精度。

製造量子光子處理器

飛秒激光寫入（FLW）因其低成本、簡便性和快速原型設計能力而在無源和可重構集成光子電路領域脫穎而出。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。

發表在《應用物理快報》上的一項研究采用 FLW 技術製造了一個可編程的雙量子比特量子光子處理器。製造出的 FLW 量子處理器實現了高保真，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，FLW 芯片與標準單模光纖的耦合損耗自然很低，這為量子光子實驗提供了優勢。

結論

飛秒激光加工正迅速成為推進光子製造的關鍵技術，為設計和結構帶來新的可能性。目前的發展表明，未來幾年飛秒激光加工在工業界和學術界的影響將繼續擴大。

原文鏈接：

https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=2551

來源：光行天下作者：奧威斯·阿裏

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