“激光微納制造”飛秒貝塞爾光束直寫助力光子晶體快速制備

　　一、研究背景

　　光子晶體是一種在光學尺度上具有周期性介電結構的材料，可以產生被稱為光子帶隙的“禁止"頻率。通過對材料內部結構進行設計和制備，可以實現不同的禁止頻率，使人們操縱和控制光子成為可能。基于這種特性，光子晶體被廣泛應用于新型光電器件集成、光通信及傳感檢測等領域。

　　鈮酸鋰(LiNbO3)晶體由于其優異的非線性光電特性，成為制備高性能光子晶體器件的主流材料。通過對該材料進行周期性微孔結構的制備，可實現其對光波的選擇性調控。然而，鈮酸鋰晶體硬度高、化學性質不活潑，傳統的機械或化學方法很難實現該材料所需微孔結構的制備。主流聚焦離子束(FIB)刻蝕技術雖然可以制備微孔結構，但在制孔過程中，被去除的樣品易發生再沉積，導致微孔制備深度有限，限制了光波與光子晶體結構之間的耦合，最終影響器件性能。

　　飛秒激光由于超短的脈沖寬度和超高的峰值功率，理論上可以對任意材料進行加工，精度高、熱影響小，使其成為一種具潛力的微結構制備手段。目前，已有許多研究團隊成功利用飛秒激光在鈮酸鋰晶體的表面及內部進行溝槽、波導等微結構的制備，但是受限于傳統飛秒高斯光束極短的瑞利長度，以飛秒激光直寫獲得鈮酸鋰晶體高深徑比微孔結構仍是一個挑戰。

　　二、創新研究

　　基于對超快激光高精制造領域多年的探索和積累，北京工業大學材料與制造學部季凌飛研究員團隊利用軸棱鏡將傳統飛秒高斯光束整形為初始的飛秒貝塞爾光束，基于角譜衍射理論對整形所需光場分布進行模擬分析，確定無衍射傳播距離超過200 mm的初始飛秒貝塞爾光束的光學傳輸條件，依據菲涅爾衍射定律，通過4f系統進一步壓縮光束尺寸，最終獲得焦深約600 µm，焦點尺寸不到2 µm的緊聚焦微型貝塞爾光束，保障了高深徑比加工的分辨率。借助整形后貝塞爾光束均勻狹長的光場分布，匹配光束-樣品相對位置的精準調控，以激光單脈沖能量成功實現了鈮酸鋰亞波長孔徑、高深徑比(約為700:1)的微孔結構單脈沖直寫。通過控制激光脈沖頻率與高精平臺移動速度，最終在無間歇的動態掃描過程中一步完成大面積微孔結構光子晶體的快速制備。

　　圖1 飛秒貝塞爾光束整形加工裝置及產生的貝塞爾光束形貌和能量分布特征

　　實驗所用飛秒光束波長為1035 nm，雖然光子能量(約為1.2 eV)遠小于鈮酸鋰禁帶寬度(約為3.8 eV)，但由于飛秒光束具有高的峰值功率，鈮酸鋰晶體依然可以通過非線性吸收機制獲得能量沉積。微孔的特征尺寸主要由激光單脈沖能量以及光束-樣品相對位置的調控決定。激光單脈沖能量的增大會同時增加微孔孔徑和微孔深度，而微孔深徑比則隨著能量增大逐漸減小。光束-樣品的相對位置則主要影響材料內部相互作用區的范圍，并不改變微孔孔徑特征。

　　實驗所用鈮酸鋰晶體厚度約500 µm，略小于整形后的貝塞爾飛秒光束焦深。因此將貝塞爾焦點區域放置在材料正中間，通過合理優化脈沖能量，獲得了孔徑為715 nm的全貫通微孔(深徑比約為700:1)，如圖2(a)和圖2(b)所示。貫通微孔形成的空氣柱與未去除的鈮酸鋰晶體形成周期性介電結構，通過對微孔特征尺寸和分布進行設計，制備出具有明顯光子帶隙的光子晶體器件，其透射光譜如圖2(c)所示。

　　圖2 飛秒貝塞爾光束在500 µm厚的鈮酸鋰晶體內部直寫微通孔結構光子晶體器件

　　三、總結

　　利用飛秒激光貝塞爾光束進行整形，實現了深徑比約為700:1的大面積鈮酸鋰微孔陣列的一步制備，微孔成形均勻、陣列可控性高。這種高效可靠的高深徑比微孔結構加工方式為鈮酸鋰光子晶體器件的制備提供了一條值得探索的新途徑。

參考文獻： 中國光學期刊網

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