蔡阳健教授、程亚教授联合团队：基于高重频飞秒激光时空聚焦技术的三维各向同性加工

2023-11-29 16:34

研究背景

飞秒激光直写技术是一种能将脉冲激光光束聚焦于材料表面或内部，通过激光在焦点区域与材料的非线性相互作用，引起材料局域性质发生改变的微纳加工技术，已被广泛应用于微流体、微纳光子学、集成光学等诸多领域。传统的飞秒激光直写技术存在横向加工分辨率和轴向分辨率不对称的问题，轴向分辨率明显被拉长，这就在一定程度上限制了飞秒激光在三维加工方面的应用。近年来，为了平衡飞秒激光直写横向和轴向分辨率之间的差异，几种光束整形技术被提出，例如狭缝整形技术、散光整形技术和交叉光束照射技术等。然而，这些技术都无法实现基于单个物镜的三维各向同性加工。

时空聚焦技术最初是为生物成像应用而开发的，并被应用于飞秒激光微加工领域。飞秒激光时空聚焦技术提供了新的时间聚焦维度，使其在提高轴向制造分辨率，消除非线性自聚焦效应等方面表现突出。时空聚焦技术的机理是：飞秒激光不同频谱成分通过光栅对在空间上散开，空间色散的光再通过物镜聚焦，不同频谱成分在焦点处重新组合，脉宽恢复到飞秒量级。

目前，已有的关于飞秒激光时空聚焦三维微加工的研究大都基于宽带宽、低重复频率钛宝石激光器展开，低重复频率限制了激光加工的速度，因此，将时空聚焦技术应用到高重复频率飞秒激光光源是同时满足高效率、三维各向同性加工的必然要求。然而高重频飞秒激光光源带宽通常较窄，空间色散量引入大量的负时间啁啾，激光器本身无法提供足够的时间补偿，导致焦点处脉宽无法恢复到飞秒量级，从而限制了时空聚焦技术在高重频激光加工中的应用。因此，基于高重频飞秒激光时空聚焦技术的三维各向同性加工需要提供额外的时间补偿。

研究亮点

山东师范大学蔡阳健教授团队与华东师范大学程亚教授团队合作提出了一种高重频激光器腔外时间补偿的方案，实现了基于高重频飞秒激光光源时空聚焦技术的高效率、三维各向同性加工。在这一工作中，激光器外搭建的Martinez脉冲展宽器被用来引入大量的时间正啁啾，将脉冲宽度展宽到皮秒量级，再通过单通光栅压缩器（光栅对）的空间色散和物镜的聚焦，确保焦点处不同频谱成分重新组合，脉宽在飞秒量级。实验系统如图1所示。

图1 基于高重频飞秒激光时空聚焦技术的三维各向同性加工装置示意图

众所周知，飞秒激光加工效果受加工方向、脉冲能量以及加工深度等因素的影响，为了验证该时空聚焦装置是否具备三维各向同性加工能力，蔡阳健教授团队和程亚教授团队演示了利用该装置在光敏玻璃内部不同方向、不同深度，不同脉冲能量加工的光学截面图（如图2所示）。实验结果表明，沿不同方向加工的分辨率相同且呈现圆形，三维各向同性加工分辨率（8－22 μm）与脉冲能量成正比，且对加工深度不敏感。该项工作的意义主要在于兼顾高的加工效率和连续可调的三维各向同性加工分辨率，为激光加工提供了新的技术手段。

图2 不同方向、脉冲能量、加工深度对时空聚焦系统加工分辨率的影响

为了更直观地展示该时空聚焦装置的三维制造能力，研究团队结合时空聚焦技术和后期化学腐蚀方法，在光敏玻璃内部制造了多种三维各向同性的微流体结构（如图3所示）。与传统的激光加工相比，该装置同时具备高效、连续可调的三维各向同性加工分辨率、对加工深度不敏感等优点，该研究结果有望应用于三维微流控芯片、光子芯片的制造以及激光三维打印等领域。