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光电汇OESHOW:飞秒激光如何制备红外微光学器件?方法来了
发布者: 陈烽 | 2021-03-05

光电汇OESHOW:飞秒激光如何制备红外微光学器件?方法来了

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微光学元件是制造集成光电子系统的关键元件,具有体积小、质量轻、造价低等优点,能实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能。红外微光学元件作为红外集成光学系统的基本单元,在国防和民用领域有着非常重要的应用价值。

 

 

国防领域

 

集成化的红外微器件已广泛应用于红外成像监视、跟踪制导、武器平台的导航、战场光电对抗等。在过去30年里,世界范围内多次的局部战争和有限军事冲突中,超过90%的航空目标是被红外制导武器击落的,红外光学器件的使用极大提升了战争效费比,因此各国均高度重视新型集成化红外器件的研制。图1为红外成像监视图。

 

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图1 红外成像监视 (来源自网络)

 

 

 

民用领域

 

基于红外阵列器件的夜视光学系统由于其工作波长长、受可见光照明影响小、影像辨识率高,可以清晰分辨出复杂暗背景中的红外目标,因而在安防监控、无人驾驶、森林火险预警、电力系统巡检、环境遥感监测、医疗检测等行业具有重要的应用价值。图2为环境遥感监测图。

 

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图2 环境遥感监测(来源自网络)

 

 

 

飞秒激光微纳制造

 

 

作为一种新型高能束微纳制造技术,飞秒激光的加工精度可达到纳米量级,可加工各种固态材料,且具备灵活的三维加工成型能力。聚焦的飞秒激光脉冲具备高达1018 W/cm 2的峰值功率密度,如此高密度的能量在短于晶格热扩散时间尺度内注入材料微区的体积中,可将材料直接激发到等离子体态,实现绝热的超快刻蚀过程,避免了热效应导致的加工精度退化和材料选择问题,是加工硬脆材料的有效手段。

 

同时,利用飞秒激光脉冲与材料相互作用的非线性多光子过程,可把反应控制在聚焦光斑中心极小的区域内,只有聚焦光斑中心附近纳米级区域内、激光能量达到多光子反应阈值的反应区才被加工,具有显著的空间选择性,可实现对材料超越光学衍射极限的三维纳米精度加工。

 

飞秒激光作用对象包括晶体、半导体、聚合物、金属、有机生物材料等,相比传统技术,飞秒激光加工已经成为微纳制造领域的前沿和热点研究方向之一。

 

 

 

飞秒激光制备红外微光学器件的主要方法

 

 

 

飞秒激光刻蚀制备半导体红外微光学器件

 

西安交通大学的陈烽教授团队[1]利用单脉冲飞秒激光湿法刻蚀方法,在硅表面实现超大规模的准周期平凹微透镜阵列,如图1所示。将飞秒激光光源(中心波长为800 nm,脉冲宽度为10 fs,重复频率为1 kHz)使用显微物镜聚焦在硅表面,单脉冲能量8 μJ,扫描速度20 mm/s,经过一次扫描形成光诱导弹坑阵列。

 

使用HNA混合酸刻蚀剂 (HF-40%, HNO3-69%和CH3COOH-99%的质量比为6:10:9)进行化学刻蚀,其中HNO3可将硅氧化,HF可去除氧化生的二氧化硅,CH3COOH为缓冲剂。

 

获得的微透镜单元间距为20 μm,器件总面积为100 mm2,单元数为300万个,微透镜单元直径和深度分别为19.5 μm 和1.5 μm,表面粗糙度小于60 nm。将扩束后的激光以45°角照射到平凹微透镜阵列表面,激光反射时被微凹面阵列分为大量微光束,相互叠加后在远场形成强度匀化、空间相干性较低的光强分布,匀化后的光斑大小变为9 cm,中心线横截面能量分布趋于平缓,反映了所制备得到的微透镜阵列具有优良的光学性能。

 

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图1 飞秒激光辅助湿法刻蚀法制备的Si基准周期微透镜阵列及其反射式匀光效果。(a) Si准周期微透镜阵列的扫描电镜照片;(b)微透镜阵列表面三维形貌;(c)匀光效果测量系统示意图;(d)微透镜阵列匀化的远场光斑;(e)抛光的Si平面反射获得的远场光斑;(f)匀化光斑的3D及截面光强分布

 

硒化锌由于其较强的抗潮解能力和在波长范围0.5~22 μm良好的透射性能,被广泛应用红外光学器件的制造。西安交通大学的陈烽教授团队[2]利用飞秒激光诱导-湿法刻蚀的方法,在硒化锌表面制备周期性的平凹微透镜阵列。

 

具体加工方法:用上文同款激光器聚焦在硒化锌表面,激光功率3 mW,脉冲个数为200,激光诱导处理后使用刻蚀液(100 ml 5% H2SO4和60 mg KMnO4)在超声浴中进行化学刻蚀和抛光,形成直径为30 μm,深度为4.5 μm的平凹微透镜阵列,如图2所示。测量发现该器件在可见光、近红外和中外波段有较高的透过率。

 

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图2 (a) 飞秒激光加工示意图;(b) 硒化锌材料腐蚀过程

 

该方法制备的器件具有良好的表面形貌,因而在红外显微镜下对字母靶标进行的透射成像实验也展示了良好的成像能力,如图3所示。

 

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图3 (a) 红外成像测试装置;(b) 硒化锌微透镜阵列所成虚像图

 

 

纳米压印高效制备红外微光学器件

 

红外聚合物具有良好的热塑性和低成本,而且可透过720~1100 nm以上波长的近红外区域,常被用于制作近红外微光学器件。

 

西安交通大学的陈烽教授团队利用飞秒激光湿法刻蚀的方法,在K9光学玻璃表面制备了高精度平凹微透镜阵列模板,利用红外聚合物材料压印复制得到平凸微透镜阵列,制备了高性能的红外阵列化微光学器件。选用的腐蚀液为5%的氢氟酸溶液,将激光辐照后的K9玻璃在超声浴中进行化学刻蚀和抛光,形成高精度的平凹微透镜阵列硬质模板。选用红外聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料(近红外波段折射率为1.49,软化温度为107℃)在87kPa压力、115℃条件下压印复制微透镜阵列器件,获得的器件表面形貌良好,如图4(a)~(b)所示。

 

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图4 (a)平面红外聚合物器件表面形貌;(b)器件表面形貌的扫描电镜图像;(c)微透镜单元截面形貌;(d)测量获得的成像单元 MTF。

 

红外微透镜阵列的透过率使用UV-VIS-NIR分光光度计(Shimadzu UV-3600)来测量,如图5所示。器件在整个近红外波段的吸收非常小,透光率很高,同时在可见光波段截止性能很好。

 

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图5 平面红外聚合物器件的透过率

 

利用点扩散函数(PSF)测量法分析器件的成像性能,使用直径为100 μm 的针孔与Köhler照明系统构成的准直光束照明微透镜器件,利用制冷的InGaAsPIN 光电二极管阵列拍摄焦点图像,计算其光学调制函数(MTF),如图4(d)所示,以调制对比度0.1为判据,发现器件在红外波段的分辨率优于100 lp/mm。利用卤素灯作为靶标进行成像测试,如图6所示,可以清晰分辨直径为0.1 mm 的灯丝细节。

 

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图6 利用制备的微透镜阵列对卤素灯靶标进行红外成像。(a)环境光照明的主动红外像;(b)依赖目标自身发光的被动红外像;(c)环境光照明的主动红外像;(d)依赖目标自身发光的被动红外像。

 

制备的红外平面复眼可以作为并行透镜组实现大规模加工,如图7所示,利用损伤概率法确定其激光损伤阈值分别为2.0  J/cm2和0.7  J/cm2。用制备得到的红外微透镜阵列将准直的飞秒激光光束(平均功率为1.9 W,重复频率为100 kHz,光束直径为1.6 mm)用红外微透镜阵列聚焦,在聚合物平板靶材上成功刻写大写字母“S”阵列。

 

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图7(a)利用烧蚀概率法测量聚合物材料的表面激光损伤阈值;(b)利用红外微透镜阵列在聚合物靶材上并行加工的微图案

 

另一种红外光学材料硫系玻璃材料的玻璃态转化温度Tg较低,具有良好的热形变性能,可用与模压成形。

 

西安交通大学的陈烽教授团队等利用飞秒激光湿法刻蚀-纳米压印的方法制作了硫系玻璃微透镜阵列器件,用上文方法在K9玻璃表面加工出平凹微透镜阵列模板,之后采用热模压复制的方法,在硫系玻璃Ge20Sb15Se65上复制了微透镜阵列形貌,如图8所示。获得的器件单元直径58 μm,深度为8 μm。其中,图9(a)和(b)为红外显微镜下对图案进行红外成像实验,获得了清晰的成像效果。而且在平行光束照明下器件形成了均匀的焦点阵列,可以发现微透镜阵列器件的单元尺度、间距和轴心均匀度较好,由图9(c)和(d)所示的焦点阵列截面光强分布可以发现微器件的成像均匀度良好。

 

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图8 (a)K9平凹微透镜阵列模板电镜图; (b)硫系玻璃微透镜阵列电镜图

 

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图9 (a)红外成像测试装置;(b)红外微透镜成像效果图;(c)聚焦结果图;(d)能量分布图

 

 

两步压印法制备超薄红外复眼

 

西安交通大学的陈烽教授团队[3]利用飞秒激光诱导-湿法刻蚀方法制作了3D仿生复眼结构的红外聚合物微透镜阵列器件,先将飞秒激光聚焦在凹面BK7玻璃上,辐照出弹坑阵列并通过化学刻蚀获得模板,之后采用先压印出曲面基底,再压印出微结构的两步压印法获得复眼器件,如图10所示。

 

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图10(a)三维复眼宏观形貌;(b)器件电镜图

 

测量发现该器件在近红外波段具有很高的透过率,同时在可见光波段具有良好的阻滞特性。制备得到的器件具有良好的表面形貌,单元具备良好的成像分辨率,对分辨率板(USAF1951)的成像结果显示可达160 lp/mm的分辨能力,如图11(a)所示。

 

使用镍铬合金丝作为红外热源进行红外成像测试,红外成像结果如图11(c)~(d)所示,尺度为100 μm的热源丝清晰可辨,同时还对平面“方向标”进行成像,观察到器件中心和边缘部分不共焦,调节器件位置可实现共焦,如图11(e)~(f)所示,这证明该红外复眼器件可以用于红外目标定位。

 

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图11 (a)单眼对USAF195分辨率板所成的红外像;(b)复眼对镂空火焰图案所成主动红外 像;(c)对镍络合金丝红外热源所成被动红外像;(d)镍络合金丝红外像的放大图像;(e)对“方向标”靶标中心对焦的红外像;(f)对该靶标周围细节对焦的红外像。

 

结 语

随着微加工技术的飞速发展,传统的微纳加工手段已经获得长足发展,可以满足大多数尺度较大的红外器件加工需求。但是未来红外微光学器件需要满足集成化、阵列化、高光学性能的发展需求,典型红外阵列器件为微米量级,精度要达到纳米量级,同时需要具备超大阵元数和高的填充比,这些要求都对现有微光学器件微纳加工技术提出了严峻的挑战。

 

而飞秒激光加工领域作为一种新型微纳制造技术,国际和国内都在飞秒激光超精细加工相关领域已开展了许多研究工作。可以预见,随着先进微纳制造技术的高速发展和新材料的不断涌现,红外微光学器件性能将不断提升,应用领域也将越来越广。