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(dá)到飛秒級（1 fs = 10^-15s）。飛秒激光的特點(diǎn)是脈沖寬度極短，峰值強(qiáng)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(qiáng)度高，可誘發(fā)多光子電離和等離子體形成等非線性光學(xué)相互作用，為各種應(yīng)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(yīng)可實(shí)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(dǎo)體、陶瓷、聚合物和復(fù)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(fù)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(yīng)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(jìn)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(shí)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(xué)與應(yīng)用》上發(fā)表的一項(xiàng)研究證明了這一點(diǎn)，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(xué)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(jì)又簡單，可在晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)三維光子晶體結(jié)構(gòu)，有望應(yīng)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(xué)和納米制造技術(shù)的進(jìn)步，人們開始探索用于先進(jìn)光子學(xué)應(yīng)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(fù)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(dǎo) 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(qiáng)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。