飛秒激光制備微光學(xué)元件及其應(yīng)用

2014年，Wu等利用飛秒激光直接加工出人工復(fù)眼結(jié)構(gòu)，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)無失真寬場成像。隨著微加工技術(shù)的提升，小尺寸、高性能的人工復(fù)眼能夠和光電微接收器或光學(xué)器件集成，大大擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，例如廣角通信的天線、集成光路等。

圖6.(a)(b) 自然界中的復(fù)眼; (c)(d) 人工復(fù)眼

衍射元件

衍射元件中比較常見的是菲涅耳透鏡和光柵。菲涅耳透鏡是一種非常重要的平面光學(xué)元件，和普通透鏡不同的是，它是通過衍射來實(shí)現(xiàn)光束聚焦和成像功能。傳統(tǒng)的光刻工藝對于制作二階甚至四階的菲涅耳透鏡已經(jīng)非常成熟，由于加工過程需要掩模板、加工工藝復(fù)雜，只適用于大批量的生產(chǎn)。飛秒激光以其高加工精度和加工靈活性，在菲涅耳透鏡集成加工方面具有重要應(yīng)用。

2015年，Komlenok等利用飛秒激光燒蝕，在硅表面加工出適用于太赫茲波段的四階菲涅耳透鏡。經(jīng)測試，在141 μm激光下的衍射效率為35.9%。實(shí)現(xiàn)了飛秒激光加工有效的多階太赫茲衍射光學(xué)元件的目標(biāo)。

2016年，Li等結(jié)合飛秒激光燒蝕和化學(xué)腐蝕的方法，在藍(lán)寶石表面加工出表面質(zhì)量非常好的菲涅耳透鏡，表面粗糙度僅為12 nm。由于具有高硬度、良好的熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性及高的紫外透射率，藍(lán)寶石菲涅耳透鏡在紫外微光學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

飛秒激光除了能在常規(guī)的聚合物和無機(jī)材料表面制備單個(gè)菲涅耳透鏡之外，也可以和微透鏡陣列一樣，實(shí)現(xiàn)菲涅耳透鏡陣列的制備。還能夠在特殊材料上，如蛋白質(zhì)，制備菲涅耳透鏡，擴(kuò)展微光學(xué)元件在生物領(lǐng)域的應(yīng)用。

飛秒激光同樣適合用來加工光柵，這是由于精心設(shè)計(jì)的光柵非常復(fù)雜，往往需要較高的加工精度。

2016年，Xiao等利用飛秒激光聚合加工，用IP-Dip光刻膠在載玻片表面加工出復(fù)雜的二光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)太陽光譜中的可見和近紅外光的分離。提高飛秒激光的加工精度，能夠極大地提升元件的性能，同時(shí)能在相同的面積上集成更多的太陽能子電池。

波導(dǎo)和光纖光柵

光波導(dǎo)在光學(xué)系統(tǒng)中起著傳導(dǎo)光信號的作用，在微光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。光學(xué)信號可以被光波導(dǎo)限制住，并沿特定的路線進(jìn)行傳播。飛秒激光加工靈活，可以加工出任意形狀的光波導(dǎo)，特別適合于透明材料內(nèi)部、現(xiàn)有器件上集成加工等。

由于飛秒激光加工非常靈活，除了直寫單一的光波導(dǎo)外，更大的優(yōu)勢在于在三維空間加工特殊形狀的光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)信號分束等功能。

2014年，He等利用飛秒激光直寫技術(shù)，在Bi4Ge3O12(BGO)晶體內(nèi)部加工出三維光波導(dǎo)，波導(dǎo)處折射率增加5×10-3。這種光波導(dǎo)可以允許4 μm的TE和TM基模光通過，其傳輸損耗和分束損耗分別為4 dB/cm和0.3 dB，分出來的光束基本均等。通過這種手段，能在BGO晶體內(nèi)部加工出復(fù)雜器件，并應(yīng)用于中紅外光中。

傳統(tǒng)的光波導(dǎo)通常在光刻膠或硬質(zhì)上加工，限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用，如生物領(lǐng)域。蛋白質(zhì)(及衍生物)是基于生物聚合物形成的，具有良好的生物/環(huán)境相容性，基于蛋白質(zhì)的光波導(dǎo)在生物領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

2016年，Sun等利用飛秒激光聚合牛血清蛋白加工出基于蛋白質(zhì)的多模干涉耦合的光學(xué)微分束器(P-MMIs)。P-MMIs在環(huán)境友好型生物聚合物光學(xué)、多路高輸出光學(xué)生物傳感、光流控生物芯片中具有巨大的應(yīng)用前景。