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飛秒激光直寫具有在透明材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三維微納加工的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為光子學(xué)、微流控、三維打印等領(lǐng)域的重要制造技術(shù)。然而，由于常規(guī)飛秒高斯光束聚焦形成的橢球狀焦場(chǎng)強(qiáng)度分布，使得其在透明材料內(nèi)部難以實(shí)現(xiàn)高精度三維各向同性加工。盡管當(dāng)前已有多種飛秒光場(chǎng)整形方法被相繼提出，但這些方法在實(shí)際加工的靈活性與裝置實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)便性方面仍存在較大限制。近期，山東師范大學(xué)蔡陽健教授與華東師范大學(xué)程亞教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)提出一種結(jié)合高速旋轉(zhuǎn)狹縫的飛秒激光光束整形方法，成功突破傳統(tǒng)限制，在玻璃材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了高精度三維各向同性刻寫，并在SCI期刊《極端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表了題為“Femtosecond laser three-dimensional isotropic inscription in glass enabled by high-speed rotating slit beam shaping”的文章。山東師范大學(xué)譚遠(yuǎn)鑫為第一作者，徐劍教授、蔡陽健教授、程亞教授為共同通訊作者。

飛秒激光直寫技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于透明材料內(nèi)部三維微納加工，但由于其橢球狀的焦場(chǎng)強(qiáng)度分布，導(dǎo)致在材料內(nèi)部加工時(shí)橫向和縱向分辨率不對(duì)稱，本征上限制了三維各向同性加工的精度。當(dāng)前盡管已有多種光束整形技術(shù)提出來解決飛秒激光直寫加工的橫縱分辨率不對(duì)稱的問題，但在高效率、高精度三維各向同性加工方面仍然存在較低的靈活性和較復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)等不足。

二十多年前問世的狹縫整形輔助飛秒激光直寫是一項(xiàng)簡(jiǎn)便、靈活且低成本的光束整形技術(shù)，通過放置取向與激光直寫方向相同的狹縫可降低聚焦光束在垂直于激光直寫方向的數(shù)值孔徑（增加該方向上的光斑尺寸），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圓截面微結(jié)構(gòu)的激光直寫。但該技術(shù)的光束整形僅限于單一方向的調(diào)控，其產(chǎn)生的焦場(chǎng)強(qiáng)度分布在三維空間內(nèi)仍然不對(duì)稱，不利于高效率、高精度三維各向同性加工的實(shí)現(xiàn)。那如果讓固定的狹縫轉(zhuǎn)起來呢？是否有可能通過旋轉(zhuǎn)狹縫并與激光直寫結(jié)合起來在目標(biāo)區(qū)域構(gòu)建出三維球狀光斑呢？

帶著這些疑問，研究團(tuán)隊(duì)開展了針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)與仿真研究，提出一種基于高速旋轉(zhuǎn)狹縫光束整形的飛秒激光三維各向同性加工方法。研究首先構(gòu)建了基于旋轉(zhuǎn)狹縫整形的飛秒激光焦場(chǎng)三維對(duì)稱強(qiáng)度分布模型（見圖1），并基于該模型在Eagle 2000玻璃和Foturan玻璃兩種材料中驗(yàn)證了其三維各向同性加工能力（見圖2）。同時(shí)研究了旋轉(zhuǎn)狹縫整形實(shí)現(xiàn)三維各向同性加工過程中激光直寫速度與旋轉(zhuǎn)狹縫轉(zhuǎn)速的適配關(guān)系，并對(duì)出現(xiàn)的周期性微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)分析（見圖3）。

結(jié)果表明，利用該方法可以簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方式在玻璃中構(gòu)建出三維球狀焦斑，進(jìn)而可制造具有近圓形截面的直光波導(dǎo)、彎曲光波導(dǎo)和中空微通道（見圖4和圖5），有望為透明材料內(nèi)部的三維高精度加工和三維各向同性微結(jié)構(gòu)的高效制備提供新思路，在先進(jìn)光子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、微流控等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 旋轉(zhuǎn)狹縫光束整形簡(jiǎn)介。(a) 旋轉(zhuǎn)狹縫整形的裝置示意圖。(b)旋轉(zhuǎn)狹縫整形的實(shí)驗(yàn)測(cè)量圖和數(shù)值模擬的焦場(chǎng)強(qiáng)度分布。(c) 、(d) 分別為常規(guī)飛秒激光直寫、不同方向角的固定狹縫整形技術(shù)的聚焦前的光強(qiáng)分布（實(shí)驗(yàn)）及聚焦后的 三維焦場(chǎng)強(qiáng)度分布（仿真）。標(biāo)尺：10 μm (b)  ， 2 mm (c，d)。

圖2 旋轉(zhuǎn)狹縫光束整形在玻璃材料內(nèi)的三維各向同性加工結(jié)果。(a)、(b) 分別為 Eagle 2000 玻璃內(nèi)直寫的線狀及環(huán)狀微結(jié)構(gòu)。(c)、(d) 分別為Foturan內(nèi)直寫的線狀及環(huán)狀微結(jié)構(gòu)。(e)、(f) 分別為 Eagle 2000玻璃、Foturan 玻璃內(nèi)橫截面的尺寸 / 圓度與激光能量的關(guān)系圖。標(biāo)尺： 20 μm。

圖3 激光直寫速度與狹縫旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系。(a)、(b) 分別為不同直寫速度下 Eagle 2000 玻璃、Foturan 玻璃中加工的線狀微結(jié)構(gòu)；(c) 周期性微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理圖；(d) Foturan 玻璃內(nèi)部周期性微結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果；(e) Foturan 玻璃中加工微結(jié)構(gòu)的間距尺寸與狹縫轉(zhuǎn)速、直寫速度的關(guān)系（虛線為不產(chǎn)生周期性微結(jié)構(gòu)的最小轉(zhuǎn)速）。標(biāo)尺： 20 µm。

圖4 旋轉(zhuǎn)狹縫光束整形輔助制備近圓形截面光波導(dǎo)（Eagle 2000 玻璃）。(a)、 (b) 、(c)分別為固定狹縫整形、旋轉(zhuǎn)狹縫整形及常規(guī)飛秒激光直寫加工的直波導(dǎo)截面光學(xué)顯微圖與模場(chǎng)分布測(cè)量結(jié)果。(d) 直波導(dǎo)插入損耗與脈沖能量的關(guān)系圖。(e) 彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。(f)、 (g) 分別為旋轉(zhuǎn)狹縫整形和常規(guī)飛秒激光直寫加工的彎曲波導(dǎo)截面光學(xué)顯微圖與模場(chǎng)分布模擬結(jié)果；(h) 彎曲波導(dǎo)損耗與彎曲半徑的關(guān)系圖（插圖為對(duì)應(yīng)輸出模場(chǎng)分布）。標(biāo)尺： 10 μm。

圖5 旋轉(zhuǎn)狹縫光束整形輔助制備中空近圓截面微通道（Foturan玻璃）。(a)、 (b)分別為玻璃內(nèi)部制備的三維五環(huán)結(jié)構(gòu)和螺旋線微結(jié)構(gòu)（示意圖及光學(xué)顯微圖）。(c)旋轉(zhuǎn)狹縫光束整形輔助飛秒激光化學(xué)蝕刻制備微通道的流程及光學(xué)顯微圖。 (d) 激光制作微通道圖案的熱處理（左）和化學(xué)蝕刻（右）后的光學(xué)顯微圖。標(biāo)尺： 50 μm (a，b，d)，10 μm (c)。

本研究提出了一種基于高速旋轉(zhuǎn)狹縫光束整形實(shí)現(xiàn)高精度三維各向同性的新方法，并驗(yàn)證了其在Eagle 2000 玻璃和 Foturan 玻璃中產(chǎn)生三維對(duì)稱的球狀焦斑，進(jìn)而制備光波導(dǎo)和中空微通道方面的能力；未來團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探究該方法在其他透明材料中的加工分辨率極限與最優(yōu)參數(shù)匹配規(guī)律，挖掘其在復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)大規(guī)模高效、高精度制備中的潛力，以滿足更廣泛的制造需求。

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