飛秒激光在精密光子學(xué)制造中的應(yīng)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(dá)到飛秒級(1fs=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。

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(xué)：物理、力學(xué)、天文學(xué)》(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(dǎo)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(qiáng)折射率對比度，并成功降低彎曲波導(dǎo)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(xué)蝕刻(FLICE)利用激光誘導(dǎo)的化學(xué)特性變化，選擇性地蝕刻激光修飾區(qū)域。這使得復(fù)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(lán)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(dǎo)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(jìn)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(xué)機(jī)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(dǎo)和高Q值微諧振器。這種加工策略具有很強(qiáng)的潛力，可將不同的晶體平臺功能化，用于集成光子學(xué)。

6.高速、高質(zhì)量硅燒蝕

使用飛秒激光進(jìn)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(xué)中至關(guān)重要，它能以最小的熱損傷創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從而制造出高質(zhì)量的光學(xué)設(shè)備，如光波導(dǎo)。

理化學(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)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(luò)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(jī)理涉及后續(xù)脈沖對前面脈沖產(chǎn)生的吸收點(diǎn)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(yīng)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(xué)實驗室的初始階段評估具有重要價值。

發(fā)表在《應(yīng)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(dá)到 99.3%，雙量子比特 CNOT 門達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(xué)術(shù)界的影響將繼續(xù)擴(kuò)大。

審核編輯 黃宇