飛秒激光制備微光學(xué)元件及其應(yīng)用

光纖光柵是指光纖表面或內(nèi)部有光柵的光纖，能實(shí)現(xiàn)特定的功能，如溫度傳感等。早期，人們利用激光干涉的方法在光纖上加工光柵，這種方式加工出的光柵周期固定、無(wú)法精準(zhǔn)加工。飛秒激光的內(nèi)部加工特性，使其非常適于光纖光柵的加工，在光纖的表面或內(nèi)部都可加工，定位準(zhǔn)確、周期可調(diào)。

同時(shí)，飛秒激光制備的光纖光柵能夠?qū)Χ喾N物理參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，如溫度、折射率、彎矩和扭矩等。光纖本身物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在一些惡劣環(huán)境中的應(yīng)用更加突出。

微腔元件

微腔主要是指尺寸在幾微米到幾十微米的微型圓盤，它能夠使大量光限制在一個(gè)很小的空間里，使光與物質(zhì)相互作用在其中得到極大增強(qiáng)，在非線性光學(xué)、光信號(hào)處理、傳感等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，是現(xiàn)代光學(xué)中不可替代的角色。

2015年，Ku等利用飛秒激光雙光子聚合加工，在SU-8中加工出邊緣耦合的回音壁模式光子分子微盤，實(shí)現(xiàn)了單模激光的輸出，如圖7所示，標(biāo)尺為10 μm。通過改變微盤的尺寸，輸出激光的波長(zhǎng)可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這項(xiàng)工作為三維光電子的集成開辟了一條新道路。

圖7 (a)(c)(e). 二個(gè)微盤重疊及其輸出光譜; (b)(d)(f) 三個(gè)微盤重疊及其輸出光譜

2016年，Huang等利用飛秒激光直寫技術(shù)，加工出兩盤相切的微腔，并系統(tǒng)研究了輸出光與兩盤邊緣距離之間的關(guān)系，當(dāng)邊緣距離為-2 μm時(shí)，實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)激光的輸出。

飛秒激光加工精度高，能夠直接加工出高品質(zhì)因子的微盤激光器。因其具有非常高的加工靈活性，非常容易實(shí)現(xiàn)微腔與微控或微腔與其他光電器件的集成，在集成光子光電器件中具有重要應(yīng)用。

微光學(xué)元件的應(yīng)用

微光學(xué)元件因其尺寸微小、結(jié)構(gòu)高度可設(shè)計(jì)，易于形成陣列、易于與其他系統(tǒng)相集成，能夠?qū)崿F(xiàn)普通宏觀光學(xué)元件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。如微透鏡陣列可實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)并行加工、微透鏡與微流控通道集成等。

2016年，Choi等利用飛秒激光直寫技術(shù)，在硼硅酸內(nèi)部直接加工出菲涅耳透鏡和光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的集成，單對(duì)菲涅耳透鏡-光波導(dǎo)的效率達(dá)到了9%。

除了具有傳統(tǒng)的光傳導(dǎo)作用之外，光波導(dǎo)在量子光學(xué)和波導(dǎo)激光中具有重要應(yīng)用。飛秒激光具有較高的峰值功率，能夠引起較強(qiáng)的非線性效應(yīng)，適于在透明材料內(nèi)部進(jìn)行加工。

微光學(xué)元件能夠?qū)崿F(xiàn)很多傳統(tǒng)光學(xué)元件不能實(shí)現(xiàn)的功能，在現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)微光學(xué)元件的要求越來(lái)越高。飛秒激光作為一種高精度的加工手段，在微光學(xué)元件的制作中顯得越來(lái)越重要。

雖然飛秒激光的加工精度還不夠高、加工效率比較低。但總的來(lái)說，飛秒激光加工具有工藝簡(jiǎn)單、加工精度高、材料無(wú)選擇、能夠進(jìn)行集成化加工等優(yōu)點(diǎn)，在微光學(xué)元件的制備中辦演越來(lái)越重要的角色。通過優(yōu)化加工工藝，還可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)高效地加工，為微光學(xué)元件的應(yīng)用發(fā)展提供支持。隨著技術(shù)不斷地發(fā)展，飛秒激光加工的缺點(diǎn)將會(huì)被克服，成為真正高效、高精度的加工手段，為加工高質(zhì)量的微光學(xué)元件打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

曹小文,張雷,于永森,陳岐岱 飛秒激光制備微光學(xué)元件及其應(yīng)用. 中國(guó)激光, 2017, 44(1):