1、背景
紅外光在電磁波譜中介于可見光與微波之間，波長為0.76～1000 μm，在航空航天、生物醫學等領域廣泛應用。為實現對紅外輻射的可控傳輸、調制、探測，傳統的紅外光學器件逐漸發展為微納米結構構成的紅外微光學器件，以優化高分辨率成像、弱信號探測等性能。
硬脆材料在極端環境下具備優異性能，在航空航天等領域不可或缺。然而，硬脆材料的高精度微納制備面臨挑戰。為解決這一問題，研究人員探索了金剛石車削、光刻、納米壓印、飛秒激光等高精密制造方法。其中，飛秒激光以其極短脈沖寬度、高峰值功率和真三維加工能力成為研究熱點，可在硬脆材料表面及內部制備高精度真三維微納結構，適用于光學、機械、電子等領域的微納器件制備。
吉林大學劉學青副教授團隊總結了近年來飛秒激光加工在硬脆材料紅外微光學器件制備及應用方面的進展，介紹了主要的飛秒激光加工技術、常用的紅外硬脆材料以及制備出的多種紅外微光學器件及其應用，并展望了未來基于飛秒激光加工的紅外微光學器件的發展前景。
2.飛秒激光加工技術
飛秒激光直寫燒蝕加工是通過物鏡將激光聚焦在材料表面，通過激光焦點的移動來實現材料的燒蝕去除。這種方法工藝簡單，但缺點在于效率較低，并且加工后材料表面粗糙度較大[圖1(a)]。
為了解決以上問題，刻蝕輔助飛秒激光加工技術被提出，其原理是激光輻照區被改性，在后續刻蝕過程中與未輻照區形成顯著的刻蝕速率差，從而實現材料的高精密且低粗糙度的加工，并且可以實現內部三維微納結構的加工[圖1(b)]。
針對效率低的問題，飛秒激光光束干涉技術通過將激光分束成兩束或多束，在材料表面發生激光干涉，會形成較大面積的干涉區域，有利于大面積加工，提升加工效率，此時能量呈現周期性分布，特別適合制作光柵等周期性結構[圖1(c)]。
為了在提高效率的同時增加加工的靈活性，光場調制飛秒激光加工技術被提出，可以通過空間光調制器（SLM）對原有的高斯光斑進行相位、振幅等特性的調控以提升加工效率、改變加工形貌等[圖1(d)]。
圖1 不同飛秒激光加工技術。（a）飛秒激光直寫加工；（b）刻蝕輔助飛秒激光加工；（c）飛秒激光干涉加工；（d）光場調制飛秒激光加工
3.紅外光學材料
紅外光學硬脆材料具有物理化學性質穩定、強度和硬度高、環境適應力強等特點。針對不同的紅外波段和不同的應用需求，在制備紅外微光學器件之前應該選用合適的紅外光學硬脆材料。表1為紅外輻射領域常用的硬脆材料及適用波段。
表1 紅外輻射領域常用的硬脆材料及適用波段
4.紅外微光學器件
近年來，科研人員們針對飛秒激光加工硬脆材料的各種類型紅外微光學器件做了大量研究，這些器件可以簡單分為折射器件、衍射器件、抗反射結構器件和超表面結構器件等。
折射器件如紅外微透鏡在紅外成像、光束整形等方面具有重要應用。科研人員通過飛秒激光輔助濕法刻蝕技術，成功制備了硅基微透鏡陣列，實現了超大規模微透鏡的制備，適用于激光的光束勻化器等領域。同時，飛秒激光輔助干法刻蝕技術也被引入，成功制備了硅、碳化硅、砷化鎵以及金剛石等硬脆材料的微透鏡陣列，展現了在硬脆材料高精密微加工領域的廣泛應用前景[圖2(a)]。
常見的衍射器件包括光柵結構和菲涅耳透鏡等，例如，科研人員運用干法刻蝕輔助飛秒激光無掩模灰度直寫技術，在硅表面上實現了連續面型菲涅耳透鏡，展現了優良的聚焦和成像性能。
紅外透過窗口在紅外檢測、熱成像等領域應用廣泛。采用傳統的增透膜技術存在著易受損等問題，因此，科研人員開始構建抗反射微結構來實現穩定的增透或減反效果。硅表面上形成的激光誘導周期性表面結構在可見和近紅外波段（250~2500 nm）顯著抑制了硅表面的反射。
超表面結構，作為在二維平面上精確定義的微細結構，具有精確操控入射電磁波傳播和散射行為的能力。在硫化鋅和非晶硅薄膜上，科研人員通過飛秒激光技術成功制備了超表面結構，為電磁波的控制提供了新的可能性[圖2(d)]。
圖2 不同紅外微光學器件。（a）微透鏡陣列；（b）衍射光柵；（c）抗反射結構；（d）超表面結構
5.紅外微光學器件的應用
科學家們通過飛秒激光技術在硬脆材料上制備了各類紅外微光學器件，包括折射器件、衍射器件等，這些創新為紅外技術的應用領域帶來了全新的可能性。紅外微光學器件在傳感與成像、紅外探測、紅外透明窗口和激光源等方面均得到了廣泛應用。
紅外傳感器廣泛應用于軍事與民生等領域。利用紅外波段的電磁波實現環境測量，能夠在屏幕上看到肉眼無法直接觀察到的紅外圖像。現代微光學成像元件中，微透鏡及其陣列起著不可或缺的作用，科學家們通過飛秒激光技術在硅、硫系玻璃、硒化鋅等材料上制備微透鏡陣列，實現了高透明度和優異的紅外成像性能[圖3(a)]。
在硅微紋理表面制備的“黑硅”結構是紅外探測器的理想選擇。通過多次內反射降低硅表面的有效反射率，“黑硅”結構具有出色的紅外吸收特性，為硅光電探測領域帶來了新的可能性[圖3(b)]。此外，研究人員還通過飛秒激光技術制備了超表面，實現了超過80%的共振吸收，為紅外探測器的設計提供了新思路。
作為紅外探測技術的核心部件，紅外窗口材料需要在紅外波段具備卓越的透射效果和機械強度。科學家們通過飛秒激光技術在藍寶石、硫化鋅等硬質材料表面制備微結構，有效增加了窗口的透過率。相較于傳統的薄膜增透技術，該方法更穩定，可拓展紅外窗口材料的設計思路[圖3(c)]。
在紅外激光源方面，飛秒激光技術為制備陶瓷通道波導激光器提供了可靠的工藝。科學家們成功地制備了連續波和被動調Q狀態下工作的Er:Y2O3陶瓷通道波導激光器，為中紅外陶瓷加工技術開辟了新的可能性[圖3(d)]。
圖3 各類紅外微光學器件的相關應用。（a）紅外傳感與成像；（b）紅外探測器；（c）紅外增透窗口；（d）紅外激光源
6.總結與展望
紅外微光學器件以其體積小、重量輕、制造方法靈活、便于集成等特點，正引領紅外技術的創新應用，將為紅外傳感與成像、紅外探測和紅外增透窗口等領域的應用帶來巨大的推動力。硬脆材料的卓越物理化學穩定性為這些器件提供了更廣泛的應用場景，激發了對高精密微加工技術的新要求。
飛秒激光加工技術的崛起為高精密制備硬脆材料紅外微光學器件提供了新的解決方案，極大提高了加工的靈活性。然而，目前飛秒激光加工制備紅外微光學器件仍面對一些挑戰，如光學元件表面粗糙度較大和針對不同材料開發相對應的高精密加工工藝，解決這些問題將促進飛秒激光在紅外微光學器件制備領域得到更廣泛地應用。
課題組介紹
吉林大學超快光電技術團隊依托于集成光電子學國家重點實驗室，主要研究方向包括微納結構與器件加工中的光與物質非線性相互作用研究，聚焦激光精密加工和納米制造關鍵技術，致力于為超快激光加工器件功能化、效率和精度提升做出創新貢獻，探索超快激光三維精密加工技術在微光學、微電子、微機械、微流控、微傳感、生物與仿生等廣泛領域的應用，并建立具有自主知識產權的超快激光微納加工技術和裝備體系，為基礎研究和國防高技術領域若干緊迫需求提供解決方案。
更多信息可訪問主頁：http://cufo.jlu.edu.cn/index.htm
通信作者簡介
劉學青，吉林大學副教授，博士生導師。主要從事超快激光精密加工技術研發及其在硬脆材料特種光電器件制備方面的研究工作。在Laser Photonics Rev., Adv. Funct. Mater., PhotoniX等雜志上發表SCI論文40余篇，部分論文入選高被引論文；申請/授權國家發明專利7項；主持國家自然科學基金、省重大子課題、省重點等項目5項；擔任中國機械工程學會極端制造分會委員，中國激光雜志社《中國激光》、Frontiers of Optoelectronics以及Nanotechnology and Precision Engineering等雜志青年編委，入選2023年度 “全球前2%頂尖科學家榜單”。
來自：激光評論
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