飛秒脈沖激光空間光場(chǎng)調(diào)控的微透鏡陣列制備技術(shù)進(jìn)展

樊 華， 曹小文， 李臻賾， 王 熠， 王 磊*， 徐 穎*

(1. 清華大學(xué) 精密儀器系, 北京 100083；2. 中國(guó)科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所, 浙江 寧波 315201；3. 吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)器件的微型化和集成化的要求越來越高，這些微型器件具有能耗少、功能集成、設(shè)計(jì)自由程度高等特點(diǎn)[1-3]。尤其是在光學(xué)領(lǐng)域，集成光波導(dǎo)芯片等器件在具有與傳統(tǒng)器件相同功能的基礎(chǔ)上，其體積卻可以縮小幾十倍[4]。

微透鏡作為微光學(xué)中最為基礎(chǔ)的成像和聚焦器件之一，不僅在集成光學(xué)成像領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，在光通訊、波前傳感、光束整形和液晶顯示等領(lǐng)域也有著十分廣泛的應(yīng)用[5-9]。由于微透鏡陣列對(duì)表面質(zhì)量和形貌要求比較高，因此對(duì)制備工藝提出了很嚴(yán)格的要求?？蒲腥藛T提出了許多方法來實(shí)現(xiàn)具有高表面質(zhì)量的微透鏡陣列的高效制備，比如針對(duì)柔性材料的熱壓印成型方法實(shí)現(xiàn)了大面積微透鏡陣列[10]；利用灰度光刻工藝和轉(zhuǎn)印方法在柔性的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底上實(shí)現(xiàn)了微透鏡陣列[11]；利用光刻和熱回流方式實(shí)現(xiàn)了基于聚二甲基硅氧烷材料的微透鏡陣列等[12]。上述方法可以實(shí)現(xiàn)具有較高表面質(zhì)量的微透鏡陣列，但通常需要使用復(fù)雜的光刻工藝進(jìn)行模板的制備，經(jīng)歷多個(gè)刻蝕和轉(zhuǎn)印的步驟。此外，這些微透鏡基質(zhì)通常為軟質(zhì)材料，材料本身的機(jī)械抗性和耐酸堿的能力比較差，并不適用于特殊環(huán)境(高溫高壓等)。相對(duì)而言，透明硬脆材料例如石英、藍(lán)寶石等由于其極高的硬度和極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，在光學(xué)窗口、光學(xué)元件等方面的應(yīng)用更加廣泛。因此，如何制備具有高表面質(zhì)量的透明硬脆材料微透鏡陣列等微光學(xué)元件成為研究人員研究的焦點(diǎn)。

作為一種非接觸式的高精度加工手段，飛秒激光由于其極高的峰值功率和極短的脈沖長(zhǎng)度，幾乎能夠在任意材料(金屬、介質(zhì)材料等)表面通過燒蝕等方式實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)別的加工，且不需特殊環(huán)境輔助[13-14]。飛秒激光微納加工的這種獨(dú)特優(yōu)勢(shì)引起了研究人員的廣泛關(guān)注，許多基于飛秒激光的新穎的微納加工方法也被提出并驗(yàn)證，極大地?cái)U(kuò)展了飛秒激光微納加工的適用范圍[15-28]。

本文針對(duì)透明硬脆材料表面微透鏡陣列制備困難、效率低等問題，分析了飛秒激光燒蝕和濕法刻蝕方法制備微透鏡陣列的基本原理，總結(jié)了影響微透鏡尺寸的關(guān)鍵因素，介紹了基于飛秒脈沖激光空間光場(chǎng)調(diào)控的微透鏡陣列的快速制備方法。概括地說，該方法是利用空間光場(chǎng)調(diào)制技術(shù)，通過相位調(diào)制將物鏡聚焦位置的單個(gè)焦點(diǎn)調(diào)制成多焦點(diǎn)陣列，利用飛秒激光與透明硬脆材料之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)材料表面和內(nèi)部并行的燒蝕與改性，最后通過濕法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)尺寸和位置可控的微透鏡陣列的高效制備。這種尺寸可控的微透鏡陣列在光學(xué)芯片和特種光學(xué)等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用潛力。

2 飛秒激光與濕法刻蝕制備微透鏡的基本原理

飛秒激光是一種脈沖寬度在飛秒量級(jí)的脈沖激光，極短的脈沖持續(xù)時(shí)間帶來的是其極高的峰值功率。當(dāng)使用高數(shù)值孔徑物鏡對(duì)其進(jìn)行聚焦時(shí)，物鏡焦點(diǎn)位置的峰值功率密度可達(dá)～1022W/cm2，因此幾乎可以對(duì)所有材料進(jìn)行加工。這種在焦點(diǎn)位置處超高的峰值功率和飛秒激光本身極短脈沖持續(xù)時(shí)間的特性，導(dǎo)致緊聚焦區(qū)域內(nèi)光與物質(zhì)的相互作用不再是簡(jiǎn)單的線性過程，而是在極短時(shí)間內(nèi)激光將能量通過多光子吸收等過程傳遞給材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的改性或燒蝕等。而利用這種多光子吸收等特性，通過適當(dāng)控制激光能量，即可實(shí)現(xiàn)超衍射極限的加工分辨率。按照作用機(jī)理可以簡(jiǎn)單地將飛秒激光加工分為3類：增材制造的飛秒激光雙光子聚合加工[31-34]，減材制造的飛秒激光硬質(zhì)材料表面加工[35-38]和飛秒激光透明硬脆材料內(nèi)部改性加工[39-44]。

2.1 濕法刻蝕制備微透鏡的典型過程

飛秒激光在透明硬脆材料(石英)內(nèi)部制備的結(jié)構(gòu)可以分為以下3類[29]：(1)由于色心或者瞬態(tài)重結(jié)晶形成的改性結(jié)構(gòu)(Type Ⅰ)[45-47]；(2)由于納米光柵等結(jié)構(gòu)形成的帶有雙折射改性的結(jié)構(gòu)(Type Ⅱ)[48-50]；(3)內(nèi)部的微空洞結(jié)構(gòu)(Type Ⅲ)[51-53]。如圖1(a)所示，當(dāng)使用較小能量的飛秒激光在石英材料內(nèi)部加工時(shí)，激光產(chǎn)生自由載流子極化材料，隨后自由載流子的自束縛過程中的電子弛豫會(huì)打破熔融石英中Si—O鍵的連接，形成一種特殊的缺陷：無橋連的氧原子空穴(NBOHC)和它們的電子對(duì)。這種硅氧鍵的斷裂會(huì)導(dǎo)致原始的硅氧六元環(huán)結(jié)構(gòu)重新連接為更小的三元環(huán)或四元環(huán)結(jié)構(gòu)。而這種局部分子間結(jié)構(gòu)的改變會(huì)導(dǎo)致加工區(qū)域局部密度的增加和輕微折射率的改變[30]。圖1(b)熒光強(qiáng)度峰證實(shí)了激光加工后NBOHC缺陷的形成。當(dāng)使用中等能量密度進(jìn)行加工時(shí)，多光子吸收導(dǎo)致局部的等離子體產(chǎn)生，并使激光作用區(qū)域局部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生隨機(jī)的缺陷結(jié)構(gòu)。在隨后的激光作用下，入射激光與缺陷結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的散射相互干涉，進(jìn)而形成了具有亞波長(zhǎng)量級(jí)的周期性的納米光柵結(jié)構(gòu)[54]。而使用高能量密度時(shí)，超高的峰值功率會(huì)將直接將焦點(diǎn)位置的材料汽化，進(jìn)而局部形成高溫高壓的狀態(tài)，最后在焦點(diǎn)位置形成微空洞結(jié)構(gòu)。

圖1 (a) 不同能量的飛秒激光在石英內(nèi)部加工結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片[29]；(b) 激光作用后NBOHC缺陷的熒光發(fā)射峰[30]；(c) 飛秒激光加工后樣品的濕法刻蝕過程。Fig.1 (a) Optical microscope images of structures inscribed by femtosecond laser by different pulse energy[29]； (b) Fluorescent emission spectra of NBOHC defects irradiated by femtosecond laser[30]； (c) Working flow of femtosecond laser irradiated and wetting etching method.

利用飛秒激光單點(diǎn)燒蝕與濕法刻蝕工藝制備石英微透鏡陣列的方法最早是由西安交通大學(xué)的陳烽老師提出[55-58]，該方式成功地在石英材料表面實(shí)現(xiàn)了大面積微透鏡陣列的制備，其基本的制備流程如圖1(c)所示。首先利用飛秒激光在石英表面進(jìn)行單點(diǎn)燒蝕，其聚焦光斑橫向截面的能量分布可以用高斯分布來表示，因此在焦點(diǎn)附近能量高于材料損傷閾值的位置可以實(shí)現(xiàn)材料的去除，形成局部的微坑結(jié)構(gòu)，而在能量略低于材料損傷閾值的位置僅僅形成局部材料性質(zhì)的改變。當(dāng)激光輻照后的石英樣品放入到HF溶液中以后，改性區(qū)域的結(jié)構(gòu)與HF溶液的反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于未經(jīng)過激光改性的本體材料，導(dǎo)致局部各向異性刻蝕的發(fā)生?？梢詫w秒激光與濕法刻蝕的方式制備微透鏡大致分為以下3步：

(1)種子結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生：飛秒激光燒蝕加工

利用飛秒極高的峰值功率和極小的熱效應(yīng)，在石英等材料表面進(jìn)行直接燒蝕，形成微透鏡的種子結(jié)構(gòu)。

(2)初始輪廓的形成：各向異性刻蝕

利用改性區(qū)域與HF溶液極高的刻蝕速率，將激光改性的區(qū)域在極短時(shí)間內(nèi)去除，該步驟確定微透鏡的具體深度。

(3)最終透鏡的形成：各向同性刻蝕

利用熔融石英在HF溶液中各向同性的刻蝕速率，通過一定的刻蝕時(shí)間將粗糙的微透鏡輪廓刻蝕成具有極高表面質(zhì)量的微透鏡。

2.2 影響微透鏡尺寸的關(guān)鍵因素

微透鏡尺寸的控制在實(shí)際應(yīng)用中具有十分重要的意義。為了實(shí)現(xiàn)精確的尺寸控制，本文系統(tǒng)研究了不同制備參數(shù)對(duì)微透鏡的尺寸影響。

2.2.1 濕法刻蝕時(shí)間對(duì)微透鏡尺寸的影響

在微透鏡的制備過程中，濕法刻蝕是決定微透鏡表面質(zhì)量和尺寸的關(guān)鍵因素。在濕法刻蝕過程中，影響結(jié)構(gòu)形貌的主要參數(shù)是溶液濃度和刻蝕時(shí)間。溶液濃度決定刻蝕速率，在相同濃度的情況下，刻蝕時(shí)間決定材料最終去除量。在激光參數(shù)確定的情況下，微透鏡最終形貌取決于材料的去除量，為了便于分析，本文實(shí)驗(yàn)保持刻蝕溶液濃度不變，研究微透鏡形貌隨刻蝕時(shí)間的變化規(guī)律。由于高濃度HF溶液對(duì)石英的刻蝕速度相對(duì)較快，為了較為細(xì)致地觀察微透鏡的形成過程，這里使用較低濃度HF溶液(20%)對(duì)激光燒蝕后的石英樣品進(jìn)行多次刻蝕，同時(shí)為了保證刻蝕時(shí)間內(nèi)HF能夠與石英充分反應(yīng)，這里將每次刻蝕時(shí)間固定為10 min，并使用共聚焦顯微鏡對(duì)每次刻蝕后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面形貌的測(cè)量。

圖2(a)展示了飛秒激光(波長(zhǎng)515 nm、脈寬230 fs、單脈沖能量135 nJ)通過數(shù)值孔徑為0.7的物鏡聚焦在石英表面直接進(jìn)行單點(diǎn)燒蝕并經(jīng)過濕法刻蝕得到的微透鏡。從插圖中可以看到激光燒蝕石英以后得到的結(jié)構(gòu)是一個(gè)類似于火山口的結(jié)構(gòu)，其中心尺寸小于1 μm，這主要是由于使用的飛秒激光脈沖能量高于石英材料的損傷閾值，因此焦點(diǎn)中心位置的材料在瞬時(shí)的高溫高壓作用下直接變?yōu)榈入x子體噴射而出，這其中的一部分冷卻固化到了焦點(diǎn)中心附近。

圖2 (a) 相同脈沖能量，不同刻蝕時(shí)間下制備微透鏡的表面形貌；(b) 不同刻蝕時(shí)間下微透鏡的截面輪廓數(shù)據(jù)[59]。Fig.2 (a) Surface morphology of microlenses fabricated at different etching times and the same pulse energy； (b) Cross-sectional profile data of microlenses at various etching times[59]. Reprinted with permission from [60]? The Optical Society.

將燒蝕后的樣品放入HF溶液中刻蝕10 min后，激光燒蝕改性區(qū)域被完全去除，僅留下一個(gè)形狀不規(guī)則的凹坑，這主要是由于在HF溶液中燒蝕改性區(qū)域具有極高的刻蝕速率導(dǎo)致的。隨后，微坑逐漸從不規(guī)則的形狀變成一個(gè)較為理想的圓形輪廓。從圖2(b)中的截面輪廓統(tǒng)計(jì)圖可以看出，隨著刻蝕時(shí)間的增加，燒蝕改性微坑的整體寬度從5 μm增加到接近16 μm，這說明邊緣的刻蝕是一個(gè)各向同性的過程。但是其深度在多次刻蝕后始終保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值(4 μm左右)，其隨時(shí)間的增加刻蝕深度略微有所下降，主要是由于隨著刻蝕時(shí)間的增加，所使用的HF溶液的濃度略有下降造成的。但是刻蝕時(shí)間主要影響最后形成的微透鏡的直徑，從而間接地影響微透鏡的數(shù)值孔徑和焦距。

2.2.2 飛秒激光能量對(duì)微透鏡尺寸的影響

由于微透鏡的數(shù)值孔徑和焦距等光學(xué)參數(shù)依賴于微透鏡的尺寸，而濕法刻蝕僅影響微透鏡的表面質(zhì)量和直徑，其微透鏡的深度主要取決于各向異性刻蝕過程中飛秒激光燒蝕改性的深度。在相同數(shù)值孔徑的物鏡聚焦的情況下，其燒蝕改性的深度主要取決于飛秒激光的能量。為了研究飛秒激光脈沖能量對(duì)制備微透鏡尺寸的影響，本文在相同刻蝕時(shí)間(40 min)的條件下，研究不同單脈沖能量對(duì)微透鏡尺寸的控制能力。

圖3是利用飛秒激光單脈沖能量分別為358，453，545，642 nJ，刻蝕制備的微透鏡的表面輪廓圖和截面數(shù)據(jù)總結(jié)。可以看出，在刻蝕相同時(shí)間(40 min)，不同能量下制備的結(jié)構(gòu)都可以形成一個(gè)比較理想的圓形微透鏡，并且隨著脈沖能量的增加，相應(yīng)微透鏡直徑也隨之增加。從定量的截面數(shù)據(jù)(圖3(b))對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖能量的增加，微透鏡的半徑從16 μm增加到了22 μm，其深度可以從接近3.6 μm 增加到了5.2 μm，而微透鏡截面輪廓的擬合半徑始終保持不變。雖然隨著脈沖能量的增加，微透鏡的深度和半徑都有所增加，但是從數(shù)值的相對(duì)增加量角度分析可以發(fā)現(xiàn)，在飛秒激光單脈沖能量增加接近180%的條件下，其深度和半徑的相對(duì)增加量?jī)H為118%和144%。分析其原因可以發(fā)現(xiàn)，這主要是由于使用物鏡的數(shù)值孔徑為0.7，屬于緊聚焦情況，其在空氣中的縱向分辨率為[61]：

(1)

這里λ=515 nm。

由于高數(shù)值孔徑物鏡緊聚焦的特性，其超過石英改性閾值的光斑長(zhǎng)度與激光單脈沖能量的變化量無法滿足線性關(guān)系，因此在增加單脈沖能量的過程中，其焦點(diǎn)上下范圍的燒蝕改性的長(zhǎng)度不會(huì)有明顯的增加，從而導(dǎo)致制備的微透鏡的深度和直徑的增加量不明顯。

3 空間光場(chǎng)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效可控的微透鏡陣列的制備

透明硬質(zhì)材料的微透鏡陣列具有巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力，但是傳統(tǒng)的基于飛秒激光單點(diǎn)直寫燒蝕的方式加工效率較低，且無法充分利用飛秒激光的能量，因此無法適用于大面積微透鏡陣列的高速制備。如何在透明硬質(zhì)材料基底上實(shí)現(xiàn)微透鏡陣列快速且可控的制備成為當(dāng)前亟待解決的問題。

空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator，SLM)作為一種對(duì)光場(chǎng)中某些物理量進(jìn)行調(diào)制的設(shè)備，目前廣泛應(yīng)用到自適應(yīng)光學(xué)中的波前校正、激光脈沖整形、三維成像等領(lǐng)域[60-66]。在激光加工領(lǐng)域，常見的空間光場(chǎng)調(diào)制設(shè)備主要有兩種，分別是數(shù)字微反鏡陣列(Digital Micro-mirror Device,DMD)和液晶空間光調(diào)制器(Liquid Crystal SLM)。其中DMD是通過數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)上百萬個(gè)微反鏡進(jìn)行獨(dú)立的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)振幅的調(diào)控。而LC-SLM是通過調(diào)控液晶分子兩端的偏轉(zhuǎn)電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)相位的調(diào)控。雖然DMD具有極高的響應(yīng)速度，但是其是在振幅調(diào)制過程中，通過控制微鏡的偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)多階灰度變化，因此調(diào)制效率比較低[67]，而LC-SLM利用相位調(diào)制的方式來實(shí)現(xiàn)256階的灰度調(diào)制，且可以實(shí)現(xiàn)接近90%以上的能量利用率，非常適合飛秒激光并行微納加工。

3.1 并行復(fù)雜排列的微透鏡陣列的制備

為了提高加工效率以及激光能量利用率，這里使用德國(guó)HOLOEYE反射式的液晶相位調(diào)制器(LETO-VIS-009)作為空間光場(chǎng)調(diào)制的手段，其分辨率為1 920×1 080，單個(gè)像素尺寸為6.4 μm，在515 nm波長(zhǎng)具有最高90%的衍射效率且可以耐受較高單脈沖能量的飛秒激光。

基于LC-SLM的并行飛秒激光加工系統(tǒng)如圖4(a)所示，波長(zhǎng)為514 nm，脈寬為230 fs的飛秒激光經(jīng)過LC-SLM進(jìn)行空間光場(chǎng)調(diào)制后，利用4f光路將調(diào)制之后的光場(chǎng)相位分布投影到物鏡入瞳，經(jīng)過物鏡之后，在物鏡焦平面形成多個(gè)焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)并行加工。為了提高飛秒激光的能量利用率，4f系統(tǒng)使用了焦距分別為400 mm和300 mm的透鏡，可以在投影的同時(shí)實(shí)現(xiàn)縮束效果，從而在充分利用物鏡數(shù)值孔徑的基礎(chǔ)上充分利用飛秒激光的能量。

當(dāng)前基于傅里葉變換的全息算法有很多，例如GS算法(Gerchberg-Saxton Algorithm)、Yang-Gu算法和MRAF算法(Mixed-Region-Amplitude-Freedom Algorithm)等，但是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)焦點(diǎn)的位置和能量的準(zhǔn)確控制，并考慮到計(jì)算的速度等問題，這里使用基于傅里葉全息的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角算法(Optimal Rotation Angle Algorithm, ORA)，其優(yōu)勢(shì)在于僅通過正向傅里葉變換即可迭代得到較為理想的全息相位分布，且只需要較少的迭代次數(shù)。圖4(b)是預(yù)先設(shè)計(jì)的3×3共計(jì)9個(gè)不同聚焦光點(diǎn)的能量和位置示意圖，其中點(diǎn)與點(diǎn)之間的間隔為20 μm，其相對(duì)能量數(shù)值從0.6均勻變化到1。利用ORA全息算法計(jì)算得到其相應(yīng)的全息相位分布如圖4(c)所示，其中最大和最小數(shù)值分別對(duì)應(yīng)于-π和+π。隨后利用S-FFT衍射積分算法對(duì)計(jì)算得到的全息相位進(jìn)行光場(chǎng)仿真，并得到其在焦平面的光場(chǎng)能量分布(圖4(d))，計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)基本保持一致，證明ORA算法可以滿足并行加工的需求。

在進(jìn)行多點(diǎn)并行加工之前，分別測(cè)量了各個(gè)焦點(diǎn)的脈沖能量，其單脈沖能量從相對(duì)數(shù)值為0.6條件下的84 nJ均勻增加到相對(duì)數(shù)值為1條件下的243 nJ。在未移動(dòng)樣品位置和未改變總的激光脈沖能量的前提下，單次單脈沖直接曝光即可在石英表面得到3×3的微燒蝕坑陣列，其形貌如圖5(a)和(b)的SEM圖所示，驗(yàn)證了使用這種全息調(diào)制的方式可以僅通過單次曝光即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同點(diǎn)的并行燒蝕，并且隨著調(diào)制能量的增加，燒蝕微坑的尺寸從1.0 μm增加到了1.4 μm。此外，從SEM圖中還可以看出每個(gè)燒蝕微坑都呈現(xiàn)出輕微的橢球型，這可能是由于光路并未與樣品表面完全垂直導(dǎo)致的。當(dāng)經(jīng)過20%的HF溶液刻蝕樣品40 min以后，9個(gè)燒蝕的微坑都具有圓形表面輪廓，其直徑也隨著燒蝕能量的增加而增加(圖5(c))。沿圓的直徑提取其截面數(shù)據(jù)，定量分析其結(jié)構(gòu)尺寸與燒蝕能量之間的關(guān)系。在單點(diǎn)相對(duì)能量為0.6時(shí)，其最后制備得到的微透鏡的深度和半徑分別為3 μm 和15 μm。隨著相對(duì)能量增加到1，其深度和半徑分別增加了2 μm和2.5 μm，證明了利用全息光場(chǎng)調(diào)制技術(shù)僅通過控制不同焦點(diǎn)位置的能量即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微透鏡尺寸的控制，從而實(shí)現(xiàn)不同尺寸的石英微透鏡陣列的并行加工。

圖5 (a)利用相對(duì)能量從0.6到1的并行全息在石英表面直接燒蝕的9個(gè)不同微坑SEM圖片；(b)9個(gè)不同燒蝕結(jié)構(gòu)的局部放大圖；(c)9個(gè)不同尺寸微透鏡的頂視圖；(d)9個(gè)不同尺寸微透鏡的側(cè)視圖[59]。Fig.5 (a) SEM images of 9 different micro-pits directly ablated on the quartz surface using parallel holography with relative energies from 0.6 to 1; (b) Partial enlargements of nine different ablated structures; (c) Top views of 9 different sized microlenses; (d) Side views of 9 different sized microlenses[59]. Reprinted with permission from [65]? The Optical Society.

3.2 單點(diǎn)直寫尺寸大范圍可控的微透鏡陣列

從2.2可知，在制備微透鏡的過程中單點(diǎn)燒蝕能量的相對(duì)變化量與刻蝕后微透鏡的尺寸變化量并不是線性相關(guān)的，常見的通過改變飛秒脈沖能量的方式不僅不能在較大范圍內(nèi)調(diào)整加工后微透鏡的尺寸，且會(huì)造成激光能量極大浪費(fèi)。而僅通過增加刻蝕時(shí)間的方式盡管可以增加微透鏡的直徑，但是其深度始終保持不變，因此會(huì)導(dǎo)致最后制備微透鏡的數(shù)值孔徑降低，造成其聚焦和成像效果的減弱。

飛秒激光燒蝕改性深度是影響最后形成微透鏡尺寸的關(guān)鍵因素。為了實(shí)現(xiàn)大尺寸且具有較高數(shù)值孔徑微透鏡的加工，除了使用低數(shù)值孔徑的物鏡來增加微透鏡的尺寸以外，另外就是利用縱向掃描的方式來主動(dòng)增加燒蝕改性的深度[68]，從而提高微透鏡的直徑和深度，但是這種沿光軸方向掃描的方式會(huì)降低加工效率，不利于大面積微透鏡陣列的制備。

為了實(shí)現(xiàn)直徑和深度可控的微透鏡陣列的高效制備，這里利用光場(chǎng)調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)改性深度的調(diào)制。如圖6(a)所示，將經(jīng)物鏡聚焦的單個(gè)焦點(diǎn)調(diào)制成沿光軸的多個(gè)焦點(diǎn)，通過調(diào)整焦點(diǎn)個(gè)數(shù)來對(duì)燒蝕改性深度進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)微透鏡尺寸的控制。在加工過程中使用的物鏡數(shù)值孔徑為0.7，根據(jù)公式(1)，其在石英內(nèi)部聚焦的縱向焦深接近3 μm，因此將焦點(diǎn)之間的距離d固定為3 μm。當(dāng)使用略高于材料損傷閾值的能量進(jìn)行加工時(shí)，焦點(diǎn)與焦點(diǎn)之間的距離在刻蝕后仍可以連在一起，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刻蝕后得到微透鏡深度的控制。利用ORA全息算法計(jì)算得到的縱向多焦點(diǎn)全息圖如圖6(b)所示。為了避免空間光調(diào)制器中未調(diào)制的光斑對(duì)加工造成影響，在ORA計(jì)算得到的全息圖中疊加了菲涅爾透鏡相位，從而將調(diào)制和未調(diào)制的光場(chǎng)沿光軸方向分離開。

由于使用的是高數(shù)值孔徑物鏡進(jìn)行縱向燒蝕加工，為了得到準(zhǔn)確的縱向焦點(diǎn)的分布情況，這里使用矢量衍射積分算法分別計(jì)算了不同全息下物鏡焦點(diǎn)附近光場(chǎng)能量密度分布情況，其結(jié)果如圖6(c)所示，可以看到不同焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的全息仿真結(jié)果中焦點(diǎn)個(gè)數(shù)和間距與設(shè)計(jì)數(shù)值基本保持一致，并且各個(gè)焦點(diǎn)的能量分布都比較均勻。

圖6 (a) 縱向多焦點(diǎn)調(diào)制的示意圖；(b) 利用ORA算法計(jì)算能得到的縱向不同焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的全息圖；(c) 利用矢量衍射積分算法得到的縱向多焦點(diǎn)的光場(chǎng)仿真圖[61]。Fig.6 (a) Schematic of longitudinal multifocal modulation； (b) Holograms that can generate different focal points in the longitudinal direction by ORA algorithm; (c) Light field simulations of longitudinal multifocal by applying the vector diffraction integration algorithm[61]. Reprinted with permission from [66]? The Optical Society.

通過光場(chǎng)仿真已經(jīng)驗(yàn)證了光場(chǎng)調(diào)制算法可以實(shí)現(xiàn)比較均勻的縱向多焦點(diǎn)分布，隨后利用多焦點(diǎn)全息在熔融石英上面進(jìn)行單點(diǎn)直寫。這里固定飛秒激光的單脈沖能量為642 nJ，這是在2.2中研究單脈沖能量對(duì)微透鏡尺寸影響中所使用的最大單脈沖能量，分別使用焦點(diǎn)個(gè)數(shù)從1到6共計(jì)6個(gè)不同的全息圖來研究縱向多焦點(diǎn)對(duì)最后微透鏡尺寸的影響。在石英表面加工過程中，通過位移平臺(tái)與激光光闌的聯(lián)動(dòng)控制來保證每個(gè)位置僅使用一個(gè)脈沖進(jìn)行材料燒蝕和改性。加工完成后，利用20%的HF溶液對(duì)樣品進(jìn)行刻蝕40 min，隨后利用激光共聚焦掃描顯微鏡進(jìn)行三維輪廓表征。

經(jīng)過濕法刻蝕得到微透鏡的形貌如圖7(a)所示，從頂視圖可以看出，經(jīng)過40 min HF刻蝕后，不同焦點(diǎn)個(gè)數(shù)燒蝕改性的結(jié)構(gòu)都已經(jīng)被刻蝕掉，最終都形成了較為理想的圓形輪廓。對(duì)比其表面和截面的輪廓可以看出，在激光單脈沖能量保持不變的情況下，隨著使用焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，制備微透鏡的表面半徑和深度也隨之增加，這說明縱向多焦點(diǎn)可以增加燒蝕改性的深度，進(jìn)而提高了微透鏡的深度。

為了更加準(zhǔn)確地表征縱向多焦點(diǎn)全息加工方式對(duì)微透鏡尺寸的控制能力，將使用不同焦點(diǎn)個(gè)數(shù)下制備的微透鏡的尺寸數(shù)據(jù)總結(jié)，如圖7(b)所示。

圖7 (a) 全息調(diào)制的焦點(diǎn)個(gè)數(shù)制備的微透鏡的頂視圖和側(cè)面輪廓；(b) 全息調(diào)制的焦點(diǎn)個(gè)數(shù)與微透鏡尺寸之間的關(guān)系；(c) 全息調(diào)制的焦點(diǎn)個(gè)數(shù)與微透鏡的焦距和數(shù)值孔徑之間的關(guān)系[61]。Fig.7 (a) Top views and side profiles of microlenses fabricated from holographically modulated focal numbers； (b) Relationship between holographically modulated focal numbers and microlens size； (c) Relationship between holographically modulated focal numbers and the focal length and numerical aperture of the microlens[61]. Reprinted with permission from [66]? The Optical Society.

在保持激光單脈沖能量不變的情況下，隨著全息調(diào)制焦點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，最后制備得到微凹球透鏡的半徑可以從單焦點(diǎn)情況下的19 μm增加到6個(gè)焦點(diǎn)情況下的34 μm，其相對(duì)半徑約變?yōu)樵瓉淼?倍，而深度可以從單焦點(diǎn)情況下的5 μm增加到6個(gè)焦點(diǎn)情況下的20 μm，其相對(duì)深度變?yōu)樵瓉淼?倍。

為了表征光場(chǎng)調(diào)制方式制備的微透鏡的光學(xué)特性，這里根據(jù)微透鏡的幾何尺寸來計(jì)算其光學(xué)參數(shù)，例如焦距f、f#和數(shù)值孔徑NA等，其中光學(xué)參數(shù)和微透鏡尺寸之間的關(guān)系如下：

R=(h2+r2)/2h，
f=R/(n-1)，

f#=f/2r，
NA=r/f，

(2)

其中，h和r分別是測(cè)量得到的微凹透鏡深度和半徑，n是熔融石英的折射率(1.46)。

微凹透鏡光學(xué)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖7(c)所示。對(duì)于不同焦點(diǎn)個(gè)數(shù)情況下，微凹透鏡的擬合半徑和焦距分別為39.6 μm和86 μm，并不隨著調(diào)制焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化而變化，其最大最小值的波動(dòng)僅為3.9%。但是隨著調(diào)制焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，微凹透鏡的數(shù)值孔徑整體呈現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì)，其可以從單個(gè)焦點(diǎn)的0.22增加到6個(gè)焦點(diǎn)的0.41，相對(duì)增加量接近于200%，而5個(gè)焦點(diǎn)和6個(gè)焦點(diǎn)制備微透鏡數(shù)值孔徑的變化量并不大，這可能是由于隨著調(diào)制焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，分配給每個(gè)焦點(diǎn)的能量降低以及石英和空氣之間界面引起的散焦，這兩個(gè)原因?qū)е?焦點(diǎn)和6焦點(diǎn)在石英內(nèi)部燒蝕改性深度的變化量不大，制備微透鏡的尺寸變化量小于2焦點(diǎn)和3焦點(diǎn)的變化量，最終導(dǎo)致數(shù)值孔徑變化量并不大。

3.3 并行微透鏡陣列的制備和成像測(cè)試

上面已經(jīng)研究了空間光場(chǎng)調(diào)制方式，通過對(duì)焦點(diǎn)能量以及焦點(diǎn)縱向個(gè)數(shù)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微凹透鏡尺寸的控制。由于當(dāng)前使用的空間光調(diào)制器對(duì)其加載全息圖的切換速度為60 Hz，因此通過SLM與樣品下方位移平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)可以在樣品表面快速且連續(xù)地制備不同尺寸和數(shù)值孔徑的微凹透鏡陣列。

由于調(diào)整激光單脈沖能量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濕法刻蝕得到的微凹透鏡尺寸的控制，因此設(shè)計(jì)了圈數(shù)為4圈呈六方排列的焦點(diǎn)陣列，其中焦點(diǎn)之間的間隔為10 μm，從內(nèi)而外每一圈焦點(diǎn)的相對(duì)能量分別為1，0.9，0.8，0.7。通過ORA算法計(jì)算得到相應(yīng)的全息圖，并利用激光單次曝光燒蝕和濕法刻蝕直接得到呈六方排列的微透鏡陣列。如圖8(b)所示，經(jīng)過40 min刻蝕即可得到填充因子為100%的微透鏡陣列，且不同位置的微透鏡結(jié)構(gòu)均勻。提取中間一列微凹透鏡的輪廓可以看出，不同微凹透鏡具有不同的縱向高度，其整體高度接近6.4 μm，且不同圈的微透鏡具有相同的深度位置，因此整體微凹透鏡呈現(xiàn)出空間三維陣列分布。通過對(duì)三維微透鏡的深度擬合可以發(fā)現(xiàn)，該微凹透鏡陣列整體分布在半徑為120 μm的曲面上。由于該三維微凹透鏡陣列是利用單個(gè)脈沖直接燒蝕得到的，因此通過調(diào)整樣品臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)大面積微凹透鏡陣列的制備。

圖8 (a) 微凹透鏡的測(cè)試示意圖；(b)三維微透鏡陣列的頂視圖；(c)和(d)分別是三維微透鏡陣列不同焦平面的成像效果[59]；(e)不同數(shù)值孔徑的微透鏡陣列的頂視圖；(f)不同數(shù)值孔徑微透鏡的三維成像效果[60]。Fig.8 (a) Schematic of the micro-concave lens test； (b) Top view of the 3D microlens array. (c) and (d) Imaging results of the 3D microlens array at different focal planes, respectively[59]. Reprinted with permission from [65]? The Optical Society. (e) Top view of the microlens array with different numerical apertures； (f) 3D imaging results of the microlens array with different numerical apertures[61]. Reprinted with permission from [66]? The Optical Society.

隨后我們利用如圖8(a)所示的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該三維微凹透鏡陣列的三維成像效果進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖8(c)和(d)所示，其中紅色為最外圈微凹透鏡的成像效果，綠色為中心微凹透鏡的成像效果。由于最外圈和中心的微透鏡的縱向深度差為4 μm，因此當(dāng)邊緣微凹透鏡具有比較清晰的像時(shí)，中心是比較模糊的(圖8(c))，而當(dāng)中心具有比較清晰的像時(shí)，邊緣是比較模糊的(圖8(d))。

此外，利用縱向焦點(diǎn)個(gè)數(shù)調(diào)制的方式，結(jié)合樣品臺(tái)與SLM動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)，對(duì)不同位置使用不同焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的全息來實(shí)現(xiàn)不同尺寸微透鏡陣列的高效制備，其理論最大加工速度可達(dá)60個(gè)/s。制備得到的不同尺寸微凹透鏡陣列的頂視圖如圖8(e)所示，在不改變激光脈沖能量的情況下，在相同樣品表面可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸的微透鏡陣列。由于不同尺寸的微凹透鏡具有相同的擬合半徑和焦距，但是其底部距離表面的位置不一樣，因此具有不同焦平面，即該微凹透鏡陣列具有三維的成像能力。如圖8(f)所示，不同微透鏡陣列都可以具有比較好的成像效果，且隨著微透鏡數(shù)值孔徑的增加，“F”的清晰度隨之增加。此外，通過移動(dòng)樣品的位置，可以實(shí)現(xiàn)在縱向不同位置的成像效果(紅框所示)，證明該微透鏡具有三維成像的能力。

4 藍(lán)寶石微透鏡陣列的并行制備

藍(lán)寶石作為一種具有極高硬度、寬光譜透過率和極其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)的透明硬質(zhì)材料，在工業(yè)和國(guó)防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，其在微光學(xué)領(lǐng)域也具有極高的潛在應(yīng)用價(jià)值，然而其高硬度的特點(diǎn)導(dǎo)致難以使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式對(duì)其進(jìn)行加工，而光刻和聚焦離子束等方法對(duì)加工環(huán)境要求較高，且加工效率比較低。

飛秒激光由于其極高的峰值功率，可以直接在藍(lán)寶石表面進(jìn)行燒蝕加工，但是這種飛秒激光直寫的方式會(huì)在表面產(chǎn)生大量的碎屑，這些碎屑會(huì)極大地影響制備結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能。為了降低直寫結(jié)構(gòu)表面的粗糙度，我們課題組利用高溫輔助刻蝕技術(shù)對(duì)材料表面的碎屑進(jìn)行去除，可以實(shí)現(xiàn)具有高表面質(zhì)量的藍(lán)寶石微光學(xué)元件。

根據(jù)上節(jié)飛秒激光制備石英微凹透鏡的加工機(jī)理，各向同性的濕法刻蝕是實(shí)現(xiàn)高表面質(zhì)量微凹透鏡的關(guān)鍵。這里借助飛秒激光燒蝕種子結(jié)構(gòu)結(jié)合各項(xiàng)同性濕法刻蝕的思想，將其應(yīng)用到藍(lán)寶石微透鏡的加工中，實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石微凹透鏡陣列的高效率制備。

這里采用的是C相藍(lán)寶石，使用不同單脈沖能量(36，46，56 nJ)直接燒蝕得到的結(jié)果如圖9(a)所示，燒蝕的微坑隨著單脈沖能量的增加而增加，最大直徑接近1 μm。于藍(lán)寶石在高溫條件下可以與濃硫酸和濃鹽酸發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)方程如下：

Al2O3+H2O=2AlO(OH)
Al2O3+6H+=2Al3++3H2O
AlO(OH)+3H+=Al3++2H2O

.

(3)

利用該高溫化學(xué)反應(yīng)，單脈沖能量為36 nJ燒蝕后的藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)隨刻蝕時(shí)間的演化過程如圖9(b)所示。當(dāng)在溶液中刻蝕5 min以后，藍(lán)寶石表面的燒蝕微坑已經(jīng)擴(kuò)大并演變成倒三棱錐結(jié)構(gòu)，其與石英刻蝕以后的結(jié)構(gòu)并不相同，這主要是由于藍(lán)寶石是晶體材料，因此不同晶向具有不同的刻蝕速率，并且隨著刻蝕時(shí)間增加。藍(lán)寶石表面微結(jié)構(gòu)的整體尺寸也逐漸增加，但是從側(cè)面圖9(c)可以看到，在整個(gè)刻蝕過程中，其斜邊的傾斜角度保持不變，但是底部由原來的三棱錐形狀變成了球形。并且隨著刻蝕時(shí)間的近一步增加，其底面的尺寸也隨之變大。經(jīng)驗(yàn)證，該底部結(jié)構(gòu)具有比較完美的球面輪廓。根據(jù)這一現(xiàn)象，利用光場(chǎng)調(diào)制技術(shù)將焦點(diǎn)調(diào)制為4×4的點(diǎn)陣，焦點(diǎn)之間的間隔略小于刻蝕后藍(lán)寶石底部的球面直徑，可以避免由不同晶向引起的三棱柱側(cè)邊，從而實(shí)現(xiàn)具有高表面質(zhì)量的藍(lán)寶石微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。圖9(d)是利用飛秒激光空間光場(chǎng)調(diào)制和濕法刻蝕制備的大面積藍(lán)寶石微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，可以看到其尺寸分布比較均勻，且都具有比較好的成像效果(圖9(e))。

圖9 (a) 不同單脈沖能量燒蝕藍(lán)寶石表面的SEM圖；(b)36 nJ燒蝕藍(lán)寶石表面的結(jié)構(gòu)隨刻蝕時(shí)間的演變過程；(c)不同刻蝕時(shí)間的藍(lán)寶石微透鏡的截面輪廓；(d)并行制備的藍(lán)寶石微透鏡陣列的頂視圖；(e)藍(lán)寶石微透鏡陣列的成像效果[69]。Fig.9 (a) SEM images of ablated sapphire surfaces with different single pulse energies； (b) Evolution of the structure of 36 nJ ablated sapphire surfaces with etching time； (c) Cross-sectional profiles of sapphire microlenses with different etching times； (d) Top views of parallel fabricated sapphire microlens arrays； (e) Imaging results of sapphire microlens arrays[69].

5 結(jié) 論

由于液晶空間光調(diào)制器的高衍射效率和高柔性的光場(chǎng)調(diào)制能力，將飛秒激光空間光場(chǎng)調(diào)制與濕法刻蝕相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)石英表面微凹透鏡陣列的高效制備，并且在制備過程中僅通過改變?nèi)D的方式即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微凹透鏡尺寸和數(shù)值孔徑的調(diào)制。此外，由于光場(chǎng)調(diào)制方法可以對(duì)加工過程中多個(gè)物理量進(jìn)行控制，因此通過合理地設(shè)計(jì)焦點(diǎn)陣列的位置和相對(duì)能量，單次曝光即可實(shí)現(xiàn)三維空間排列的微凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)。此外，這種光場(chǎng)調(diào)制與濕法刻蝕的加工方式也適用于其他能夠被溶液各項(xiàng)同性刻蝕的材料，包括藍(lán)寶石等晶體材料。這種加工方式具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

盡管利用光場(chǎng)調(diào)制和濕法刻蝕可以實(shí)現(xiàn)高效微光學(xué)元件的制備，但是就目前而言其僅能應(yīng)用到簡(jiǎn)單的微凹透鏡陣列，對(duì)于具有復(fù)雜輪廓的微光學(xué)元件仍有困難。如何利用光場(chǎng)調(diào)制與濕法刻蝕方法實(shí)現(xiàn)具有高表面質(zhì)量且三維輪廓可控的硬質(zhì)材料微光學(xué)元件的高效制備，對(duì)飛秒激光微納加工領(lǐng)域和微納光學(xué)領(lǐng)域都具有十分重要的意義。