精密光子制造中为什么要使用飞秒激光？

　　一.精密光子制造中为什么要使用飞秒激光

　　1.飞秒激光器发射持续时间小于一皮秒的超短光脉冲，达到飞秒级别(1 fs = 10-15s)。飞秒激光的特点是脉冲宽度极短，峰值强度高。

　　2.超短脉冲串可最大限度地减少余热，确保材料的精确加工，同时最大限度地减少附带损坏。其峰值强度高，可以引发非线性光学相互作用，例如多光子电离和等离子体形成，为各种应用提供激光能量的精确空间控制。

　　3.飞秒激光器的非线性限制效应可实现纳米级分辨率，其特征小于光的衍射极限。这些激光器用途广泛，可用于多种材料，包括金属、半导体、陶瓷、聚合物和复合材料，无需掩模或光刻胶。飞秒激光在透明材料中的聚焦能力也有助于创建复杂的三维(3D)结构，这对于制造集成光子芯片至关重要。

　　总之，飞秒激光器是精密微加工和光子制造的理想选择。

　　二.在精密光子制造中的主要应用如下：

　　1.光子晶体的光刻

　　为了在近红外和可见光范围内有效控制光子晶体中的光，单元结构和间隙必须在纳米尺度上精确控制至关重要。飞秒激光器擅长直接在透明材料中制造三维微纳结构，利用其超短脉冲持续时间来实现超高精度。

　　《光：科学与应用》上发表的一项研究证明了这一点，该研究描述了一种使用纳米级飞秒激光多光束光刻创建光子晶体结构的方法。研究人员将可控多光束光场聚焦在晶体内部，并将其与化学蚀刻相结合。该方法能够精确控制亚波长尺寸的结构单元和间隙，克服了单光束处理的局限性。

　　该方法经济简单，可以在晶体内实现三维光子晶体结构，有望在光通信和光操纵领域得到应用。

　　2. 简化周期性纳米结构的制造

　　材料科学和纳米制造技术的进步引发了对周期性纳米结构表面用于先进光子学应用的探索，例如等离子体和介电元表面。传统上，这些周期性表面结构(PSS)是使用光刻方法处理的，这种方法复杂且耗时。

　　然而，聚焦飞秒激光器提供了一种一次性、无掩模且高效的替代方案，适用于多种材料。这使得激光诱导 PSS (LIPSS) 能够创建小于激光波长的特征。

　　最近的研究，特别是对铌酸锂等宽带隙透明晶体的研究，已经证明了飞秒激光器在通过受控加热策略创建具有增强光吸收的大面积 LIPSS方面的潜力。这为铌酸锂以外的介电晶体的精密制造提供了一条有前途的途径。

　　3.三维光子集成结构设计

　　飞秒激光直写技术为在透明基板上制造三维光子集成电路(PIC)提供了巨大的潜力。然而，该技术面临的一个关键挑战是如何在激光照射区域内实现平滑且大的折射率变化，这阻碍了紧凑型光子集成电路的发展。

　　《科学·中国物理、力学与天文学》发表的一项研究解决了这个问题，并提出了一种显着抑制小曲率半径波导弯曲损耗的方法 ，从而为缩小三维光子集成电路铺平了道路。

　　所提出的方法涉及使用飞秒激光直写技术在熔融石英中雕刻多个修改轨道，从而增强折射率对比度，并成功减少弯曲波导中的弯曲损耗。这一突破有望提高三维光子器件的集成密度和灵活性。

　　4.介电材料中的三维微纳结构

　　飞秒激光照射后进行化学蚀刻 (FLICE) 利用激光引起的化学性质变化来选择性蚀刻激光修饰区域。这使得复杂的三维微米和纳米结构可以直接写入介电材料内部。 FLICE已用于创建用于眼镜中创建微流体和三维光流体的嵌入式中空微结构。

　　最近的工作已经在YAG和蓝宝石等晶体中实现了超过100.000的超高蚀刻选择性。这使得三维光子晶格、波导和纳米孔能够在纳米尺度上实现，而不破坏晶体。

　　5.表面光刻技术

　　飞秒激光加工作为一种无掩模、高精度的三维加工技术，可以对薄膜铌酸锂等材料进行表面光刻。这一突破成功克服了材料集成方面的挑战，并实现了高性能光子元件的制造。

　　例如，研究人员使用飞秒激光辅助化学机械抛光光刻技术(CMPL) 在铌酸锂芯片上创建低损耗波导和高Q值微谐振器。这种处理策略具有强大的潜力，可以实现集成光子学的不同晶体平台的功能化。

　　6.高速、高质量的硅烧蚀

　　利用飞秒激光进行硅烧蚀是指利用超短脉冲群精确去除硅基板上的材料。这一过程对于精密光子学至关重要，能够以最小的热损伤创建复杂的结构，从而产生光波导等高质量的光学设备。

　　理化学研究所先进光子学中心的研究人员开发了一种名为BiBurst模式的新技术，该技术使用分组在MHz包络线分组的GHz飞秒激光脉冲突发来实现高效、高质量的硅烧蚀，研究结果发表在《国际极限制造杂志》上。

　　该团队证明，使用BiBurst模式，硅烧蚀速度比单脉冲模式快4.5倍，且质量更好。该机制涉及将后续脉冲吸收到先前脉冲产生的吸收点中，从而提高效率。这一突破将对飞秒激光加工的基础研究和工业应用产生重大影响，从而提高产量和微加工精度。

　　7.制造量子光子处理器

　　飞秒激光写入(FLW)因其低成本、简单性和快速原型设计能力而在无源和可重构集成光子电路领域脱颖而出。该技术的快速可重构性使其对于光学实验室的初始阶段评估很有价值。

　　《应用物理快报》上发表的一项研究使用FLW技术创建了可编程的双量子位量子光子处理器。所制造的FLW量子处理器实现了高保真度，单量子位门达到 99.3%，双量子比特CNOT门达到94.4%。

　　尽管存在传播损耗和低折射率对比度等挑战，FLW芯片与标准单模光纤的耦合损耗自然较低，为量子光子实验提供了优势。

　　结论：飞秒激光加工正在迅速成为推进光子制造的关键技术，为设计和结构带来新的可能性。目前的发展表明，飞秒激光加工在工业界和学术界的影响将在未来几年继续扩大。

　　延伸阅读：

　　精密光子制造中，关键技术和工艺包括：

　　1.光学设计：通过精确计算和优化，设计满足特定需求的光学系统。这包括选择适当的光学元件(例如透镜、镜子、滤光片等)并确定它们的相对位置和角度。

　　2.精密加工：利用高精度机床和工具，加工制造光学元件。这包括研磨、抛光、镀膜等工艺，以确保元件的表面质量和光学性能满足设计要求。

　　3.装配与调试：将加工好的光学元件按照设计要求进行装配，并进行精密的调试和校准。这涉及调整元件的位置和角度，以确保整个光学系统的最佳性能。