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（1 fs = 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。