基于飞秒激光光场调制技术的硬脆材料微纳加工技术研究

发布时间：2021-07-26 21:45

　　透明硬质材料如石英、蓝宝石等作为优异的光学材料,由于其宽光谱透过率、较高的热稳定性和化学稳定性,在人们的生产生活、工业和军事等领域具有广泛的应用。但是在微纳光学等领域,这些材料较高的硬度和较低的塑性使得用传统的机械加工等方式难以达到预期的加工精度和表面粗糙度,而光刻等方式其工艺较为复杂,且无法直接用于材料内部结构的制备。飞秒激光作为一种先进的三维柔性加工技术,有加工精度高、材料适用范围广和真三维加工等优势,在微纳光学、微流体和微机械等领域有着广泛的应用前景。然而,传统的飞秒激光直写加工方式通常采用逐点扫描策略,因此加工效率低且不能充分利用激光器功率,极大地限制了飞秒激光的实际应用范围。此外,飞秒激光烧蚀硬质材料表面的时候,通常加工后材料表面粗糙度通常较大,难以直接满足微光学元器件对高表面质量的要求。而飞秒激光在硬脆材料内部加工过程中,由于界面之间的折射率不匹配会造成聚焦光斑的不均匀拉伸,影响内部三维结构的加工精度。为了解决上述提到的问题,本论文将空间光场相位调制技术与飞秒激光直写加工技术相结合,通过深入研究飞秒激光与材料之间的相互作用,并引入湿法刻蚀等工艺对材料进行辅助处理,成功在石英... 

【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：111 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图1.1分别使用488nm和960nm光源通过NA0.16物镜实现的双光子和单光子激发对比图[44]

吉林大学博士学位论文4构，其分辨率为120nm，远远超过了衍射极限。由于飞秒激光双光子聚合加工出色的三维加工能力，在不同的领域都有着重要的应用前景。如图1.2(a)是Chen等人在2007年使用商业化的NOA61树脂通过双光子聚合实现的多级相位型微透镜，其最高的衍射效率可达68%[27]。Wu等人成功使用SU-8制备了100%填充率的高精度微透镜阵列，其轮廓曲面与设计完全一致（如图1.2(b)）[28]，并实现了基于仿生学的三维人造复眼的加工（如图1.2(c)）[29]。该复眼结构对比传统单个微透镜，可以实现无畸变的大视场角度成像，在集成光学和光通讯等领域具有重要意义。除了使用传统的NOA61和SU-8等光刻胶实现双光子聚合以外，飞秒激光还可以应用到其它新型的材料中，赋予结构新的功能。Sun等人使用飞秒激光成功制备了具有高生物相容性的蛋白质可调微透镜。通过控制蛋白质微透镜所处溶液的PH值来实现微透镜尺寸的膨胀和收缩，从而快速调节微透镜焦距和成像位置。不仅仅在微光学领域，飞秒激光高精度的加工能力在微机械领域也同样大放异彩。如图1.3(a)，Xia等人通过在光刻胶内部掺杂Fe3O4纳米颗粒，成功实现了基于外部磁场控制的微型涡轮，仅需要改变外部磁场旋转的方向和速度即可实现微型涡轮不同方向和速度的旋转[30]。Lin等人通过精确地控制结构轮廓（图1.3(b)），实现了基于光驱动旋转的微型涡轮，仅需要控制入射光场的能量，即可调节涡轮的旋转速度[45]。随研究的深入，Bianchi等人利用光波导的导光和分束原理，设计并制备了具有超高能量转换效率的微型涡轮结构（图1.3(c)）[31]。由于飞秒激光双光子聚合技术在曲面基底上也可实现真三维结构加工，其在微流控芯片领域有着非常重要的应用前景。图1.3(d)是Wang等人直接在石英槽内使用SU-8光刻胶制备的

吉林大学博士学位论文6生变化。最后，能量通过热扩散的形式消失，材料重新冷却固化，整个过程都发生在几个微秒内[50,51]。然而飞秒激光极短的脉冲宽度，使得单个激光脉冲作用在材料上的时间要远远小于电子能量耦合到晶格所需的时间，因此热扩散效应几乎可以忽略不计，这就赋予了飞秒激光“冷”加工的特性。图1.4是Chichkov等人使用不同脉冲长度的激光烧蚀100m厚的钢箔[33]，可以看到，对于纳秒激光烧蚀的微孔，边缘有明显的融化凸起。随着脉冲宽度的减小，皮秒激光烧蚀的边缘已经明显减小，但是微孔的边缘和中间仍有由于热扩散导致的材料融化。而使用飞秒激光烧蚀的时候，可以看到整个微孔的边缘比较光滑，几乎没有毛刺和热效应导致的金属融化和凸起现象。由于飞秒激光“冷”加工能力和超高的峰值功率，可以在超硬材料表面直接烧蚀加工，Dumitru等人研究了不同脉冲个数的飞秒激光对金刚石表面结构的影响。可以看到随着脉冲个数的增加，金刚石的深度逐渐增加而整体尺寸保持不变图1.4(a)飞秒激光在100m厚的不锈钢箔上烧蚀微孔；(b)皮秒激光烧蚀微孔；(c)纳秒激光烧蚀微孔[33]。图1.5(a)飞秒激光烧蚀金刚石表面[34]；(b)蓝宝石表面抗反射结构[35]。


本文编号：3304416