飛秒激光：精密光子學制造中的前沿應用

精密光子制造中為什么要使用飛秒激光？

飛秒激光器發(fā)射持續(xù)時間低于一皮秒的超短光脈沖，達到飛秒級（1fs=10-15s）。飛秒激光的特點是脈沖寬度極短，峰值強度高。

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。其峰值強度高，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)建復雜的三維（3D）結(jié)構(gòu)，這對制造集成光子芯片至關(guān)重要。

總之，飛秒激光是精密微加工和光子制造的理想選擇。

精密光子制造中的主要應用如下：

1.光子晶體的光刻

要在近紅外和可見光范圍內(nèi)有效控制光子晶體中的光，對單元結(jié)構(gòu)和間隙進行納米級的精確控制至關(guān)重要。飛秒激光器可直接在透明材料中制造三維微納結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出色。

發(fā)表在《光： 科學與應用》上發(fā)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(shù)制造光子晶體結(jié)構(gòu)的方法。研究人員將可控多光束光場聚焦于晶體內(nèi)部，并將其與化學蝕刻相結(jié)合。這種方法可以精確控制亞波長尺寸的結(jié)構(gòu)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(nèi)實現(xiàn)三維光子晶體結(jié)構(gòu)，有望應用于光通信和光操縱領(lǐng)域。

2.簡化周期性納米結(jié)構(gòu)制造

隨著材料科學和納米制造技術(shù)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(jié)構(gòu)表面，如等離子體和介電元表面。傳統(tǒng)上，這些周期性表面結(jié)構(gòu)（PSS）的加工采用光刻方法，既復雜又耗時。

然而，聚焦飛秒激光器提供了一種適用于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）制造出比激光波長更小的特征。

最近的研究，尤其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(zhì)晶體的精密制造提供了一條前景廣闊的途徑。

3.設(shè)計三維光子集成結(jié)構(gòu)

飛秒激光直寫技術(shù)為在透明基底上制造三維光子集成電路（PIC）提供了巨大的潛力。然而，該技術(shù)面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何在激光照射區(qū)域內(nèi)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電路的開發(fā)。

發(fā)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，提出了一種顯著抑制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(shù)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。這一突破有望提高三維光子器件的集成密度和靈活性。

4.介電材料中的三維微納米結(jié)構(gòu)

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，選擇性地蝕刻激光修飾區(qū)域。這使得復雜的三維微觀和納米結(jié)構(gòu)可以直接寫入介電材料內(nèi)部。FLICE 已被用于在眼鏡中創(chuàng)建微流體和三維光流體的嵌入式中空微結(jié)構(gòu)。

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。這使得三維光子晶格、波導和納米孔在納米尺度上得以實現(xiàn)，而無需破壞晶體。

5.表面光刻技術(shù)

作為一種無掩模、高精度的三維加工技術(shù)，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(shù)（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。這種加工策略具有很強的潛力，可將不同的晶體平臺功能化，用于集成光子學。

6.高速、高質(zhì)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片上的材料。這一過程在精密光子學中至關(guān)重要，它能以最小的熱損傷創(chuàng)建復雜的結(jié)構(gòu)，從而制造出高質(zhì)量的光學設(shè)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(shù)，它使用以 MHz 包絡線分組的 GHz 飛秒激光脈沖猝發(fā)來實現(xiàn)高效和高質(zhì)量的硅燒蝕。這些研究成果發(fā)表在《國際極端制造期刊》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(zhì)量更優(yōu)。其機理涉及后續(xù)脈沖對前面脈沖產(chǎn)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(chǔ)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。

7.制造量子光子處理器

飛秒激光寫入（FLW）因其低成本、簡便性和快速原型設(shè)計能力而在無源和可重構(gòu)集成光子電路領(lǐng)域脫穎而出。該技術(shù)的快速可重構(gòu)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《應用物理快報》上的一項研究采用 FLW 技術(shù)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)，F(xiàn)LW 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(yōu)勢。

結(jié)論

飛秒激光加工正迅速成為推進光子制造的關(guān)鍵技術(shù)，為設(shè)計和結(jié)構(gòu)帶來新的可能性。目前的發(fā)展表明，未來幾年飛秒激光加工在工業(yè)界和學術(shù)界的影響將繼續(xù)擴大。

審核編輯;黃飛