郑家鑫，刘学青/吉林大学电子科学与工程学院

随着半导体行业微细加工技术的发展，通过小型化和在小范围内组合各种功能，产生出许多具有新特性的新应用，并且随着信息化时代的发展，要求完整的信息系统需要在一个尽可能小的空间内能够实现尽可能多的功能，这就促使着光学系统必须小型化，光学元件必须微型化，以处理光学、激光等领域的新应用。

微光学元件无论是现代国防科学技术领域，还是普通的工业领域都有很广阔的应用前景。在军事领域被用于研制生产如热成像装置、红外扫描装置、导弹引导头、微光夜视头盔以及各种变焦镜头等军用光电系统。在普通民用领域中，自由非球面零件可以大量地应用到各种光电成像系统中，如摄像机的变焦镜头、各种显示系统以及医用内窥镜等。

随着人们对微光学元件的不断研究，提出了多种制备方法，如双光子聚合、半导体光刻工艺、电子束刻蚀、金刚石车削、飞秒激光直写以及辅助刻蚀等。然而这些方法都分别存在着加工效率低、难以制备三维结构、成本高、精度较低等缺点。

飞秒激光直写虽然对材料无选择性、对环境要求低、制备精度高，并且可以实现任意三维结构的制备，但是通过飞秒激光直写出的结构表面粗糙度往往较高，难以符合人们对光学元件表面低粗糙度的要求。而通过后续刻蚀工艺的处理，可以实现一个理想的表面粗糙度。

因此，飞秒激光辅助刻蚀的工艺就进入了人们的视野，研究人员利用此方法在多种材料表面以及内部制备出了功能多样的微光学元件，使得微光学领域得到了迅猛的发展。

飞秒激光加工特点

飞秒激光是脉冲宽度为几飞秒到几百飞秒的脉冲激光，飞秒激光加工的重要特点是大大减少了热能向加工区域的扩散，显著降低了热影响区的形成，从而对软材料和硬材料都可实现加工，即对材料无选择性。

同时，抑制热能向周围区域的扩散也为高精度的加工提供了必要的前提。并且由于加工的自由度高，所以可实现任意复杂三维结构的制备。

此外，飞秒激光加工还有一重要的特点是能够引发非线性吸收，使原本对于光透明的材料发生强烈的光吸收。多光子吸收过程使得飞秒激光不仅可以对透明材料表面进行加工，还可以对其内部进行三维加工。图1展示了诱导材料电子激发的单光子和多光子吸收过程。

图1 飞秒激光加工原理

刻蚀辅助飞秒激光加工

通过飞秒激光直写出的结构表面粗糙度往往较高，难以符合人们对于光学元件表面低粗糙度的要求，为此，结合后续刻蚀工艺对结构表面质量进行改善就显得十分必要了。

刻蚀辅助飞秒激光工艺的基本原理是通过激光使得材料发生改性，从而实现激光作用区域刻蚀速率的改变，并根据改性区刻蚀速率的加快和减慢，分别使其在后续的刻蚀工艺中充当去除区域或是刻蚀掩膜区，并通过激光焦点的扫描来形成三维的改性区，低功率的激光改性配合后续刻蚀工艺的作用，可以方便实现任意三维微光学元件高平滑度的高效制备。

刻蚀辅助飞秒激光工艺主要分为湿法刻蚀辅助飞秒激光加工和干法刻蚀辅助飞秒激光加工两种。

湿法刻蚀辅助飞秒激光加工微光学元件主要包括三种方法（图2）：飞秒激光加工辅助掩膜和无掩模的湿法刻蚀技术、飞秒激光正置倒置液体辅助加工方式。

图2 飞秒激光辅助湿法刻蚀  (a) 无掩模； (b) 掩膜；(c) 液体辅助

干法刻蚀辅助激光加工制备微光学元件大致上也可分为三类：激光加工辅助掩膜以及无掩模的干法刻蚀、刻蚀辅助飞秒激光无掩模灰度直写工艺，如图3所示。

常用的干法刻蚀系统有离子束刻蚀、反应离子束刻蚀和感应耦合等离子体刻蚀等。离子束刻蚀是一种单纯利用物理轰击进行刻蚀的工艺，优势在于对材料无选择性，可用各种材料进行处理。在反应离子刻蚀和感应耦合等离子体刻蚀过程中包括两种同时发生的过程：物理溅射、离子反应。由于过程中化学反应的参与，可实现横向刻蚀并极大地提升了刻蚀的速率。

图3 飞秒激光辅助干法刻蚀 （a）掩膜 ；(b) 无掩模；(c) 无掩模灰度加工

可加工的微光学元件

微光学元件，指面形精度可达亚微米级，表面粗糙度可达纳米级的自由光学曲面及微结构光学元件。

微光学元件具有体积小、重量轻、设计制造灵活、制造成本低、易于实现阵列化和批量化生产等优点，能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能，在人工智能、光纤通信、激光雷达、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术等应用领域中具有重要的应用价值。

折射器件

激光加工微光学元件中折射元件主要包括微透镜、微透镜阵列以及复眼结构三大类。其中微透镜是最小的单元结构，其适用范围最广，是重要的折射元件。

透镜的功能有很多，主要包括成像、光束整形与光束准直等，可广泛应用于安防、车载、数码相机、激光、光学仪器等领域。随着市场的不断发展，透镜技术的应用也越来越广泛。

2001年，研究人员首次在光敏玻璃内部进行了三维微光学器件的尝试。他们利用飞秒激光加工出改性区域，之后进行退火，最后利用10%的HF将激光作用部分去除从而在光敏玻璃内部加工出了三维微光学元件，这对飞秒激光辅助刻蚀加工微光学元件进行了初期的探索。

图4 飞秒激光辅助干法刻蚀工艺实现人工复眼的快速制备

2019年，我们利用飞秒激光加工结合干法刻蚀工艺加工蓝宝石复眼模板，如图4。飞秒激光在凹槽状的蓝宝石基板内加工出点阵，随后用HF溶液刻蚀出凹透镜曲面阵列，再利用高温浇铸转写的方式，成功在K9玻璃上实现了硬质复眼结构高效大面积的制备，在一个直径为1 cm，高度为2.3 mm的复眼结构上有超过19万个紧密排列的小眼，为硬质材料复眼结构的制备提供了方法。

衍射器件

常见的衍射元件主要有光栅结构和菲涅尔透镜，除此之外光子晶体、超表面等结构也是利用衍射原理的元件。

2017年，我们利用飞秒激光无掩模灰度直写辅助干法刻蚀技术，在硅表面制备了三维的菲涅尔波带片结构。

该方法利用的原理为飞秒激光作用过硅表面之后，激光作用后的区域会发生氧化，并且随着激光能量、脉冲数等各参数的变化，氧化的程度也有所不同。在随后的干法刻蚀过程中，激光作用过的区域成为掩膜版，与未加工的区域产生刻蚀速率差，从而利用干法刻蚀转写出三维结构。氧化程度不同刻蚀速率也不同，因而形成了灰度掩膜，拓宽了硅在微电子、微光学和微机电系统中的应用。

图5 飞秒激光辅助湿法刻蚀工艺在YAG上实现光子晶体的快速制备

2018年，研究人员Airán Ródenas探究了硬质晶体纳米结构制造的工艺，研究中发现相应的刻蚀工艺可以使得被激光改性后的YAG和蓝宝石晶体刻蚀速率得到大大提高，为人们在晶体材料上的激光加工提供了方法。为了展示这项技术的潜力，作者在钇铝石榴石中制作了亚波长衍射光栅，如图5所示。

微腔器件

光学微腔在传感、通信和激光等领域都具有广泛的应用前景。微腔主要是指尺寸在几微米到几十微米的微型圆盘，能够使大量光限制在一个很小的空间里，让光与物质相互作用在其中并得到极大增强。其在非线性光学、光信号处理、传感等领域具有重要应用价值，是现代光学中不可替代的角色。

2012年，上海光机所研究人员利用飞秒激光直接写入的3D特性，在熔融硅片上制作三维(3D)高品质因子回音廊的方法。该工艺主要包括飞秒激光直写和湿化学蚀刻形成独立的微盘。采用CO2激光退火，使微腔表面光滑。其品质因子高达1.07x106。

由于所加工出的微腔为无源器件，可以在其表面覆盖一些增益介质来实现更高的光学输出。在非平面内加工出高Q值的微腔，在基础研究和生物、化学传感应用方面具有重要应用。

图6 飞秒激光辅助湿法干法刻蚀工艺在双层铌酸锂薄膜上实现外部回音廊模式

传统回音壁模式通过全内反射将光局域在光腔内部，只有很少一部分光场以倏逝波形式损耗。人们一直在寻求将光场局域在腔外的新方法，以增强光学模式的环境探测灵敏度及其与外界相互作用的程度。

2019年，研究人员通过飞秒激光以及聚焦离子束加工方法在特制的双层铌酸锂薄膜上制备出微盘结构，如图6。再将中间二氧化硅缓冲层腐蚀掉。从而在上下微盘层中间形成一个纳米级高度的水平狭缝。铌酸锂微盘腔的品质因子已达到100,000以上，其表面平整度优于1纳米，这项工作也为研究微腔光学提供了一个新颖的平台和手段。在此基础上，腔光力学、非线性光学和光学检测方面将有望得到更大的进展。

结束语

相较于传统的光学元件，微光学元件在现代光学中具有重要意义，可实现的功能众多，并满足现代发展微型化的需求。

随着科技的发展,对微光学元件的加工与应用提出了越来越高的要求,其制作加工已成为阻碍微光学元件快速发展的瓶颈问题，进而发展了多种微光学元件的制备技术。其中，刻蚀辅助飞秒激光技术作为微光学元件的重要制备方法，具有广泛的应用前景。

作者简介

郑家鑫，吉林大学电子科学与工程学院，硕士研究生

刘学青，吉林大学电子科学与工程学院，副教授

封面来源：www.jenoptik.com

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