飞秒激光：精密光子学制造中的前沿应用

精密光子制造中为什么要使用飞秒激光？

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

超短脉冲串可最大限度地减少残余热量，确保材料的精确加工，同时将附带损伤降到最低。其峰值强度高，可诱发多光子电离和等离子体形成等非线性光学相互作用，为各种应用提供精确的激光能量空间控制。

飞秒激光的非线性约束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，可用于各种材料，包括金属、半导体、陶瓷、聚合物和复合材料，无需掩膜或光刻胶。飞秒激光在透明材料中的聚焦能力还有助于创建复杂的三维（3D）结构，这对制造集成光子芯片至关重要。

总之，飞秒激光是精密微加工和光子制造的理想选择。

精密光子制造中的主要应用如下：

1.光子晶体的光刻

要在近红外和可见光范围内有效控制光子晶体中的光，对单元结构和间隙进行纳米级的精确控制至关重要。飞秒激光器可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实现超高精度，在制造这些结构方面表现出色。

发表在《光： 科学与应用》上发表的一项研究证明了这一点，该研究介绍了一种利用纳米级飞秒激光多光束光刻技术制造光子晶体结构的方法。研究人员将可控多光束光场聚焦于晶体内部，并将其与化学蚀刻相结合。这种方法可以精确控制亚波长尺寸的结构单元和间隙，克服了单光束加工的局限性。

所提出的方法既经济又简单，可在晶体内实现三维光子晶体结构，有望应用于光通信和光操纵领域。

2.简化周期性纳米结构制造

随着材料科学和纳米制造技术的进步，人们开始探索用于先进光子学应用的周期性纳米结构表面，如等离子体和介电元表面。传统上，这些周期性表面结构（PSS）的加工采用光刻方法，既复杂又耗时。

然而，聚焦飞秒激光器提供了一种适用于各种材料的一步到位、无需掩模且高效的替代方法。这样就可以通过激光诱导 PSS（LIPSS）制造出比激光波长更小的特征。

最近的研究，尤其是对铌酸锂等宽带隙透明晶体的研究，展示了飞秒激光在通过受控加热策略制造具有增强光吸收的大面积 LIPSS 方面的潜力。这为铌酸锂以外的电介质晶体的精密制造提供了一条前景广阔的途径。

3.设计三维光子集成结构

飞秒激光直写技术为在透明基底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较大的折射率变化，这阻碍了紧凑型光子集成电路的开发。

发表在《中国科学：物理、力学、天文学》（Science China Physics， Mechanics & Astronomy）上的一项研究解决了这一问题，提出了一种显著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。

所提出的方法包括利用飞秒激光直写技术在熔融石英中刻入多条修改轨道，从而增强折射率对比度，并成功降低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米结构

飞秒激光辐照后化学蚀刻（FLICE）利用激光诱导的化学特性变化，选择性地蚀刻激光修饰区域。这使得复杂的三维微观和纳米结构可以直接写入介电材料内部。FLICE 已被用于在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、波导和纳米孔在纳米尺度上得以实现，而无需破坏晶体。

5.表面光刻技术

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

例如，研究人员利用飞秒激光辅助化学机械抛光光刻技术（CMPL）在铌酸锂芯片上制造出了低损耗波导和高Q值微谐振器。这种加工策略具有很强的潜力，可将不同的晶体平台功能化，用于集成光子学。

6.高速、高质量硅烧蚀

使用飞秒激光进行硅烧蚀是指利用超短脉冲群精确地去除硅基片上的材料。这一过程在精密光子学中至关重要，它能以最小的热损伤创建复杂的结构，从而制造出高质量的光学设备，如光波导。

理化学研究所先进光子学中心的研究人员开发出了一种名为 BiBurst 模式的新技术，它使用以 MHz 包络线分组的 GHz 飞秒激光脉冲猝发来实现高效和高质量的硅烧蚀。这些研究成果发表在《国际极端制造期刊》上。

研究小组证明，利用 BiBurst 模式，硅烧蚀的速度是单脉冲模式的 4.5 倍，而且质量更优。其机理涉及后续脉冲对前面脉冲产生的吸收点的吸收，从而提高了效率。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，从而提高吞吐量和微加工精度。

7.制造量子光子处理器

飞秒激光写入（FLW）因其低成本、简便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光学实验室的初始阶段评估具有重要价值。

发表在《应用物理快报》上的一项研究采用 FLW 技术制造了一个可编程的双量子比特量子光子处理器。制造出的 FLW 量子处理器实现了高保真，单量子比特门达到 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等挑战，FLW 芯片与标准单模光纤的耦合损耗自然很低，这为量子光子实验提供了优势。

结论

飞秒激光加工正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，未来几年飞秒激光加工在工业界和学术界的影响将继续扩大。

审核编辑;黄飞