透明硬質(zhì)材料如石英、藍(lán)寶石等作為優(yōu)異的光學(xué)材料,由于其寬光譜透過(guò)率、較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,在人們的生產(chǎn)生活、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但是在微納光學(xué)等領(lǐng)域,這些材料較高的硬度和較低的塑性使得用傳統(tǒng)的機(jī)械加工等方式難以達(dá)到預(yù)期的加工精度和表面粗糙度,而光刻等方式其工藝較為復(fù)雜,且無(wú)法直接用于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的制備。飛秒激光作為一種先進(jìn)的三維柔性加工技術(shù),有加工精度高、材料適用范圍廣和真三維加工等優(yōu)勢(shì),在微納光學(xué)、微流體和微機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而,傳統(tǒng)的飛秒激光直寫(xiě)加工方式通常采用逐點(diǎn)掃描策略,因此加工效率低且不能充分利用激光器功率,極大地限制了飛秒激光的實(shí)際應(yīng)用范圍。此外,飛秒激光燒蝕硬質(zhì)材料表面的時(shí)候,通常加工后材料表面粗糙度通常較大,難以直接滿(mǎn)足微光學(xué)元器件對(duì)高表面質(zhì)量的要求。而飛秒激光在硬脆材料內(nèi)部加工過(guò)程中,由于界面之間的折射率不匹配會(huì)造成聚焦光斑的不均勻拉伸,影響內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的加工精度。為了解決上述提到的問(wèn)題,本論文將空間光場(chǎng)相位調(diào)制技術(shù)與飛秒激光直寫(xiě)加工技術(shù)相結(jié)合,通過(guò)深入研究飛秒激光與材料之間的相互作用,并引入濕法刻蝕等工藝對(duì)材料進(jìn)行輔助處理,成功在石英... 

【文章來(lái)源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：111 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖1.1分別使用488nm和960nm光源通過(guò)NA0.16物鏡實(shí)現(xiàn)的雙光子和單光子激發(fā)對(duì)比圖[44]

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文4構(gòu)，其分辨率為120nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了衍射極限。由于飛秒激光雙光子聚合加工出色的三維加工能力，在不同的領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用前景。如圖1.2(a)是Chen等人在2007年使用商業(yè)化的NOA61樹(shù)脂通過(guò)雙光子聚合實(shí)現(xiàn)的多級(jí)相位型微透鏡，其最高的衍射效率可達(dá)68%[27]。Wu等人成功使用SU-8制備了100%填充率的高精度微透鏡陣列，其輪廓曲面與設(shè)計(jì)完全一致（如圖1.2(b)）[28]，并實(shí)現(xiàn)了基于仿生學(xué)的三維人造復(fù)眼的加工（如圖1.2(c)）[29]。該復(fù)眼結(jié)構(gòu)對(duì)比傳統(tǒng)單個(gè)微透鏡，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)畸變的大視場(chǎng)角度成像，在集成光學(xué)和光通訊等領(lǐng)域具有重要意義。除了使用傳統(tǒng)的NOA61和SU-8等光刻膠實(shí)現(xiàn)雙光子聚合以外，飛秒激光還可以應(yīng)用到其它新型的材料中，賦予結(jié)構(gòu)新的功能。Sun等人使用飛秒激光成功制備了具有高生物相容性的蛋白質(zhì)可調(diào)微透鏡。通過(guò)控制蛋白質(zhì)微透鏡所處溶液的PH值來(lái)實(shí)現(xiàn)微透鏡尺寸的膨脹和收縮，從而快速調(diào)節(jié)微透鏡焦距和成像位置。不僅僅在微光學(xué)領(lǐng)域，飛秒激光高精度的加工能力在微機(jī)械領(lǐng)域也同樣大放異彩。如圖1.3(a)，Xia等人通過(guò)在光刻膠內(nèi)部摻雜Fe3O4納米顆粒，成功實(shí)現(xiàn)了基于外部磁場(chǎng)控制的微型渦輪，僅需要改變外部磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向和速度即可實(shí)現(xiàn)微型渦輪不同方向和速度的旋轉(zhuǎn)[30]。Lin等人通過(guò)精確地控制結(jié)構(gòu)輪廓（圖1.3(b)），實(shí)現(xiàn)了基于光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微型渦輪，僅需要控制入射光場(chǎng)的能量，即可調(diào)節(jié)渦輪的旋轉(zhuǎn)速度[45]。隨研究的深入，Bianchi等人利用光波導(dǎo)的導(dǎo)光和分束原理，設(shè)計(jì)并制備了具有超高能量轉(zhuǎn)換效率的微型渦輪結(jié)構(gòu)（圖1.3(c)）[31]。由于飛秒激光雙光子聚合技術(shù)在曲面基底上也可實(shí)現(xiàn)真三維結(jié)構(gòu)加工，其在微流控芯片領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用前景。圖1.3(d)是Wang等人直接在石英槽內(nèi)使用SU-8光刻膠制備的

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文6生變化。最后，能量通過(guò)熱擴(kuò)散的形式消失，材料重新冷卻固化，整個(gè)過(guò)程都發(fā)生在幾個(gè)微秒內(nèi)[50,51]。然而飛秒激光極短的脈沖寬度，使得單個(gè)激光脈沖作用在材料上的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子能量耦合到晶格所需的時(shí)間，因此熱擴(kuò)散效應(yīng)幾乎可以忽略不計(jì)，這就賦予了飛秒激光“冷”加工的特性。圖1.4是Chichkov等人使用不同脈沖長(zhǎng)度的激光燒蝕100m厚的鋼箔[33]，可以看到，對(duì)于納秒激光燒蝕的微孔，邊緣有明顯的融化凸起。隨著脈沖寬度的減小，皮秒激光燒蝕的邊緣已經(jīng)明顯減小，但是微孔的邊緣和中間仍有由于熱擴(kuò)散導(dǎo)致的材料融化。而使用飛秒激光燒蝕的時(shí)候，可以看到整個(gè)微孔的邊緣比較光滑，幾乎沒(méi)有毛刺和熱效應(yīng)導(dǎo)致的金屬融化和凸起現(xiàn)象。由于飛秒激光“冷”加工能力和超高的峰值功率，可以在超硬材料表面直接燒蝕加工，Dumitru等人研究了不同脈沖個(gè)數(shù)的飛秒激光對(duì)金剛石表面結(jié)構(gòu)的影響。可以看到隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，金剛石的深度逐漸增加而整體尺寸保持不變圖1.4(a)飛秒激光在100m厚的不銹鋼箔上燒蝕微孔；(b)皮秒激光燒蝕微孔；(c)納秒激光燒蝕微孔[33]。圖1.5(a)飛秒激光燒蝕金剛石表面[34]；(b)藍(lán)寶石表面抗反射結(jié)構(gòu)[35]。


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