利用飞秒激光脉冲的时空聚焦在玻璃中进行三维各向同性微加工

图 1. 实验布局示意图。BS：分光镜；M：反射镜；G1-G4：衍射光栅；L1-L4：不同焦距的透镜；DM：分色镜；OL：物镜；SA：样品。虚线矩形表示拟议的腔外脉冲拉伸器。资料来源：Opto-Electronic Advances (2023)。DOI: 10.29026/oea.2023.230066

飞秒激光直写（FLDW）是一种激光微纳制造技术，可将激光脉冲聚焦在材料表面或内部，通过激光与材料的非线性相互作用引起材料性能的局部变化，已广泛应用于微纳光子学、集成光学、微流体等多个领域。传统的 FLDW 存在横向和轴向制造分辨率不对称的问题，轴向分辨率明显拉长，限制了飞秒激光在三维加工中的应用。

近年来，为了平衡 FLDW 横向和轴向分辨率之间的差异，人们提出了几种光束整形技术，如狭缝整形技术、散光整形技术和交叉光束照射技术。然而，这些技术无法在单个物镜的基础上实现三维各向同性处理。

同时时空聚焦（SSTF）技术最初是为生物成像应用而开发的，现已应用于 fs 激光微加工。SSTF 技术提供了一个新的时间聚焦维度，使其在提高轴向制造分辨率和消除非线性自聚焦效应方面表现突出。

SSTF 技术的机理是，fs 激光脉冲的不同频率成分通过光栅进行空间分散，然后通过物镜重新组合，物镜焦点处的脉冲宽度恢复到fs 水平。

目前，fs 激光 SSTF 技术的三维微加工研究大多基于钛：蓝宝石啁啾脉冲放大系统，该系统带宽宽、重复率低，限制了激光加工的速度。因此，将 SSTF 应用于高重复率 fs 激光源是同时实现高效率和三维各向同性加工的必然要求。

然而，高重复率fs激光源的带宽通常较窄，空间色散引入了大量的负时间啁啾，激光器本身无法提供足够的时间补偿，导致焦点处的脉冲宽度无法恢复到fs水平，限制了SSTF技术在高重复率激光加工中的应用。因此，使用 SSTF 高重复率 fs 激光脉冲在透明材料中进行三维各向同性微加工需要额外的时间补偿。

发表在《光电子学进展》（Opto-Electronic Advances）上的一篇文章的作者提出了一种脉冲补偿方案，即在高重复率fs激光源外建立一个脉冲拉伸器，用于产生SSTF fs激光脉冲，从而在玻璃中实现真正的三维各向同性微细加工，分辨率从8微米到22微米不等。

在这项工作中，采用了马丁内斯型脉冲拉伸器引入大量正时啁啾，将输出脉冲宽度拉伸到皮秒级，然后通过光栅对激光脉冲的不同频率成分进行空间分散，再通过物镜进行重组，物镜焦点处的脉冲宽度恢复到fs级。实验系统如图 1 所示。

图 2. (a) 结合 SSTF FLDW 辅助蚀刻法在玻璃中制造三维微通道结构的程序示意图，包括三个主要步骤：(I) SSTF fs 激光直写；(II) 热退火；(III) 化学蚀刻： (I) SSTF fs 激光直写；(II) 热退火；(III) 化学蚀刻。(b-d）蜿蜒的冷却结构微通道。(b) FLDW 后热退火和 (c) 刻蚀后的通道结构光学显微照片。(d) (c) 中的放大图像。(e-m）三维多层微通道网络结构。三维网络结构（e、h、k）在经过 FLDW 和热退火处理后，以及在 XY、XZ 和 YZ 平面上经过刻蚀处理后的光学显微照片。(g、j、m）分别为（f、i、l）的放大图像。(n-s）三维螺旋微通道结构。三维螺旋线的顶视图（n,o）和侧视图（q,r）分别为 FLDW 后热退火和蚀刻后的光学显微照片。(p)和(s)分别是(o)和(r)的放大图像。d、g、j、m）中的插图是微通道结构的照片。比例尺： 100 微米。来源：Opto-Electronic Advances (2023)。DOI: 10.29026/oea.2023.230066
 

众所周知，飞秒激光加工效果与写入方向、脉冲能量和加工深度有关。为了验证采用 SSTF 方案的三维各向同性制造分辨率，作者展示了沿不同方向和不同脉冲能量在不同深度的玻璃上刻线的光学显微照片（见图 2）。

实验结果表明，在 SSTF 方案中，XZ 和 YZ 平面上的所有横截面轮廓都是对称的圆形，通过改变 fs 激光器的脉冲能量，可以在玻璃中实现从 8 μm 到 22 μm 的三维可调各向同性制造分辨率，而且制造分辨率对焦点位置的深度不敏感。这项工作的意义主要在于实现了高激光加工效率和连续三维可调各向同性制造分辨率，为激光加工提供了一种新的技术手段。

图 3. 在 SSTF 方案中，加工深度对制造分辨率的影响。(a) 沿 X 和 Y 方向不同深度在玻璃上刻线的示意图。分别沿 (b) X 和 (c) Y 方向刻线的横截面光学显微照片。(d) 横向和纵向分辨率与深度的关系。比例尺：20 微米。来源：Opto-Electronic Advances (2023)。DOI: 10.29026/oea.2023.230066

为了证明 SSTF 方案在玻璃中三维各向同性制造的独特能力，作者展示了通过 SSTF fs 激光直写和化学蚀刻在玻璃中制造的三维各向同性微流体结构（见图 3）。与传统激光加工相比，SSTF 高重复率 fs 激光脉冲具有效率高、三维可调各向同性制造分辨率高等优点。该研究成果有望应用于三维微流控芯片、光子芯片和激光三维打印的制造。

参考资料

Yuanxin Tan et al, Three-dimensional isotropic microfabrication in glass using spatiotemporal focusing of high-repetition-rate femtosecond laser pulses, Opto-Electronic Advances (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.230066