在创刊50周年之际，为集中呈现激光制造领域的前沿科技进展，《中国激光》于2024年第4期出版“前沿激光制造”青年编委专辑。该专辑凝聚二十几位青年学者的创新与探索，讨论了激光制造领域未来有待探索及有望突破的方向。
本篇亮点文章来源于吉林大学刘学青副教授团队。文章总结了近年来飞秒激光加工在硬脆材料红外微光学器件制备及应用方面的进展，并展望了未来基于飞秒激光加工的红外微光学器件的发展前景。
原文链接：祁金勇, 郑家鑫, 张鑫, 赵智炎, 刘子健, 田克帅, 李超, 刘学青. 飞秒激光制备硬脆材料红外微光学器件及应用(特邀)[J]. 中国激光, 2024, 51(4): 0402405.
1.背景介绍
红外光在电磁波谱中介于可见光与微波之间，波长为0.76～1000 μm，在航空航天、生物医学等领域广泛应用。为实现对红外辐射的可控传输、调制、探测，传统的红外光学器件逐渐发展为微纳米结构构成的红外微光学器件，以优化高分辨率成像、弱信号探测等性能。
硬脆材料在极端环境下具备优异性能，在航空航天等领域不可或缺。然而，硬脆材料的高精度微纳制备面临挑战。为解决这一问题，研究人员探索了金刚石车削、光刻、纳米压印、飞秒激光等高精密制造方法。其中，飞秒激光以其极短脉冲宽度、高峰值功率和真三维加工能力成为研究热点，可在硬脆材料表面及内部制备高精度真三维微纳结构，适用于光学、机械、电子等领域的微纳器件制备。
吉林大学刘学青副教授团队总结了近年来飞秒激光加工在硬脆材料红外微光学器件制备及应用方面的进展，介绍了主要的飞秒激光加工技术、常用的红外硬脆材料以及制备出的多种红外微光学器件及其应用，并展望了未来基于飞秒激光加工的红外微光学器件的发展前景。
2.飞秒激光加工技术
飞秒激光直写烧蚀加工是通过物镜将激光聚焦在材料表面，通过激光焦点的移动来实现材料的烧蚀去除。这种方法工艺简单，但缺点在于效率较低，并且加工后材料表面粗糙度较大[图1(a)]。
为了解决以上问题，刻蚀辅助飞秒激光加工技术被提出，其原理是激光辐照区被改性，在后续刻蚀过程中与未辐照区形成显著的刻蚀速率差，从而实现材料的高精密且低粗糙度的加工，并且可以实现内部三维微纳结构的加工[图1(b)]。
针对效率低的问题，飞秒激光光束干涉技术通过将激光分束成两束或多束，在材料表面发生激光干涉，会形成较大面积的干涉区域，有利于大面积加工，提升加工效率，此时能量呈现周期性分布，特别适合制作光栅等周期性结构[图1(c)]。
为了在提高效率的同时增加加工的灵活性，光场调制飞秒激光加工技术被提出，可以通过空间光调制器(SLM)对原有的高斯光斑进行相位、振幅等特性的调控以提升加工效率、改变加工形貌等[图1(d)]。
图1 不同飞秒激光加工技术。(a)飞秒激光直写加工;(b)刻蚀辅助飞秒激光加工;(c)飞秒激光干涉加工;(d)光场调制飞秒激光加工
3.红外光学材料
红外光学硬脆材料具有物理化学性质稳定、强度和硬度高、环境适应力强等特点。针对不同的红外波段和不同的应用需求，在制备红外微光学器件之前应该选用合适的红外光学硬脆材料。表1为红外辐射领域常用的硬脆材料及适用波段。
表1 红外辐射领域常用的硬脆材料及适用波段
4.红外微光学器件
近年来，科研人员们针对飞秒激光加工硬脆材料的各种类型红外微光学器件做了大量研究，这些器件可以简单分为折射器件、衍射器件、抗反射结构器件和超表面结构器件等。
折射器件如红外微透镜在红外成像、光束整形等方面具有重要应用。科研人员通过飞秒激光辅助湿法刻蚀技术，成功制备了硅基微透镜阵列，实现了超大规模微透镜的制备，适用于激光的光束匀化器等领域。同时，飞秒激光辅助干法刻蚀技术也被引入，成功制备了硅、碳化硅、砷化镓以及金刚石等硬脆材料的微透镜阵列，展现了在硬脆材料高精密微加工领域的广泛应用前景[图2(a)]。
常见的衍射器件包括光栅结构和菲涅耳透镜等，例如，科研人员运用干法刻蚀辅助飞秒激光无掩模灰度直写技术，在硅表面上实现了连续面型菲涅耳透镜，展现了优良的聚焦和成像性能。
红外透过窗口在红外检测、热成像等领域应用广泛。采用传统的增透膜技术存在着易受损等问题，因此，科研人员开始构建抗反射微结构来实现稳定的增透或减反效果。硅表面上形成的激光诱导周期性表面结构在可见和近红外波段(250~2500 nm)显著抑制了硅表面的反射。
超表面结构，作为在二维平面上精确定义的微细结构，具有精确操控入射电磁波传播和散射行为的能力。在硫化锌和非晶硅薄膜上，科研人员通过飞秒激光技术成功制备了超表面结构，为电磁波的控制提供了新的可能性[图2(d)]。
图2 不同红外微光学器件。(a)微透镜阵列;(b)衍射光栅;(c)抗反射结构;(d)超表面结构
5.红外微光学器件的应用
科学家们通过飞秒激光技术在硬脆材料上制备了各类红外微光学器件，包括折射器件、衍射器件等，这些创新为红外技术的应用领域带来了全新的可能性。红外微光学器件在传感与成像、红外探测、红外透明窗口和激光源等方面均得到了广泛应用。
红外传感器广泛应用于军事与民生等领域。利用红外波段的电磁波实现环境测量，能够在屏幕上看到肉眼无法直接观察到的红外图像。现代微光学成像元件中，微透镜及其阵列起着不可或缺的作用，科学家们通过飞秒激光技术在硅、硫系玻璃、硒化锌等材料上制备微透镜阵列，实现了高透明度和优异的红外成像性能[图3(a)]。
在硅微纹理表面制备的“黑硅”结构是红外探测器的理想选择。通过多次内反射降低硅表面的有效反射率，“黑硅”结构具有出色的红外吸收特性，为硅光电探测领域带来了新的可能性[图3(b)]。此外，研究人员还通过飞秒激光技术制备了超表面，实现了超过80%的共振吸收，为红外探测器的设计提供了新思路。
作为红外探测技术的核心部件，红外窗口材料需要在红外波段具备卓越的透射效果和机械强度。科学家们通过飞秒激光技术在蓝宝石、硫化锌等硬质材料表面制备微结构，有效增加了窗口的透过率。相较于传统的薄膜增透技术，该方法更稳定，可拓展红外窗口材料的设计思路[图3(c)]。
在红外激光源方面，飞秒激光技术为制备陶瓷通道波导激光器提供了可靠的工艺。科学家们成功地制备了连续波和被动调Q状态下工作的Er:Y2O3陶瓷通道波导激光器，为中红外陶瓷加工技术开辟了新的可能性[图3(d)]。
图3 各类红外微光学器件的相关应用。(a)红外传感与成像;(b)红外探测器;(c)红外增透窗口;(d)红外激光源
6.总结与展望
红外微光学器件以其体积小、重量轻、制造方法灵活、便于集成等特点，正引领红外技术的创新应用，将为红外传感与成像、红外探测和红外增透窗口等领域的应用带来巨大的推动力。硬脆材料的卓越物理化学稳定性为这些器件提供了更广泛的应用场景，激发了对高精密微加工技术的新要求。
飞秒激光加工技术的崛起为高精密制备硬脆材料红外微光学器件提供了新的解决方案，极大提高了加工的灵活性。然而，目前飞秒激光加工制备红外微光学器件仍面对一些挑战，如光学元件表面粗糙度较大和针对不同材料开发相对应的高精密加工工艺，解决这些问题将促进飞秒激光在红外微光学器件制备领域得到更广泛地应用。
