飞秒激光加工微纳光学器件 
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1 引言
目前，以电子为载体的半导体技术发展已趋物理极限，同时半导体器件尺寸的进一步减小会带来功耗过大等问题。针对上述问题，以光子为载体的信息技术凭借快速响应时间、高信息容量、强并行处理能力以及低功耗等优势脱颖而出。随着研究人员的不断努力，光学器件的材料性能、加工工艺以及光学调制的能力都得到了大幅度的提高。然而，传统光学器件一般尺寸较大，故由其组成的光学系统十分笨重，灵活性差，极大地增大了光学系统的集成难度。微光学理论的发展使得光学器件的集成成为可能，多种尺度上的光学器件均展现出了不亚于传统光学器件的性能，这极大地促进了光学系统的微型化发展，同时也对加工精度提出了更高的要求。
激光加工作为一种非接触、高能量、无污染、便于自动化控制的加工方式，在材料加工、通信、光学器件、数据存储等重要工业领域有着极其广泛的应用，受到了业内人士的广泛关注。与传统的长脉冲或连续激光加工技术相比，飞秒激光具有超短脉宽、超高峰值功率、热效应低等一系列优势，是一种更加先进的微纳加工工具。早在1997年，飞秒激光就被用来替代紫外光源，研究人员开始利用飞秒激光诱导双光子聚合加工三维微纳结构[1]。双光子聚合具有阈值效应，而飞秒激光在经过物镜的聚焦后一般表现为高斯分布。如果保证焦斑中心处的光强仅略大于双光子电离阈值[2]，理论上双光子聚合可以实现超出衍射极限的三维分辨率，在逐点扫描的情况下，飞秒激光实际上具有了加工任意三维结构的能力。目前，基于双光子聚合已经可以实现100 nm以下的加工精度[3-4]。
超短脉冲激光加工金属或半导体材料过程中电子和离子亚系统之间的相互作用主要通过双温模型来解释。基于此模型，早在1996年，飞秒激光就被用于在金属表面钻孔[5]。目前，绝大多数金属材料的高精度切割、钻孔、或表面图案化都可以通过飞秒激光烧蚀来实现。而当超短脉冲激光与介质材料相互作用时，通过多光子电离或者隧穿电离所引发的“雪崩电离”可以实现精确的减材加工[6]。早在1996年，飞秒激光就被用于在玻璃中加工波导[7]，在透明材料中实现三维光学存储[8]。具有超短脉冲的飞秒激光还可以在两块紧密堆叠的玻璃界面上产生非线性相互作用，从而允许多种玻璃界面间的局部熔融和焊接[9]。不仅在科研加工方面，在医学应用中，飞秒激光甚至还可以加工生物组织。正是由于飞秒激光所具有的超高脉冲能量，超短脉冲宽度以及超低热效应，近视矫正手术才可以成为其最成功的商业应用之一。
因此，本文对飞秒激光三维微纳加工的原理、优势以及其在光学器件加工方面进行了详细的论述。文章主要分为四节，第二节介绍了飞秒激光的机理及加工特点，第三节讨论了提高飞秒激光加工分辨率的多种方法，第四节聚焦于飞秒激光的加工工艺，第五节介绍飞秒激光在加工光学器件方面的应用，包括微透镜，光波导、光栅以及光子晶体，最后进行了相关总结及展望。
2 飞秒激光加工分辨率
飞秒激光微纳加工根据加工方法可分为飞秒激光直写加工、飞秒激光光场调制技术以及飞秒激光干涉加工等，而根据加工原理可以分为飞秒激光双光子聚合和飞秒激光改性/烧蚀。根据聚焦光斑直径公式1.22λ/NA(λ代表光波长，NA代表物镜的数值孔径)，飞秒激光微纳加工的横向分辨率与物镜的数值孔径成正比，加工分辨率随着数值孔径的增加而增加。在双光子聚合中只需要加工微米级的结构，这时可以采用大数值孔径的油镜来提高双光子聚合加工的分辨率(100倍油镜，对应的数值孔径为1.4[3-4]，分辨率低于100 nm)。对于毫米乃至厘米级的结构(如光波导[10]、微流体通道[11]等)加工，可以选用数值孔径偏低的物镜(0.46[11]或0.65[12]，分辨率位于微米量级)。针对分辨率与加工结构尺寸这一“矛”与“盾”的关系，在特定的应用中，研究人员应当在二者之间实现一个平衡，在保证加工面积的同时尽量提高分辨率。
同时，飞秒激光焦点处的横截面通常为椭圆形，高宽比很大(~2.7)[13]，轴向，即高度方向上的分辨率较低。为了提高加工的分辨率，目前有两个方向，第一是光束整形，第二是超分辨技术。光束整形又有狭缝光束整形、时空聚焦以及贝塞尔光束整形等各种方法，这些方法也可以结合起来共同提高飞秒激光加工的分辨率。
为了尽可能地提高轴向分辨率，即使得焦点的高宽比尽可能接近1，上海光机所的程亚团队就在聚焦透镜前插入了一个平行于激光扫描方向的狭缝，利用光的衍射特性将焦点的高宽比从3降低到1.3[14]。法国纳米技术研究所的Osellame团队则使用圆柱形望远镜来进行光束整形，成功地加工出了具有圆形截面的光波导[15]。但是，上述两种加工方法只能适用于焦点位置不动，移动台带动工件做三维运动的情况，而现在的飞秒激光三维加工系统为了保证加工速度，一般选择振镜进行面扫描，此时激光光束会进行一定程度的偏转，狭缝或者圆柱形望远镜便需要做到随动，这显然是很具有挑战性的。为此，程亚团队选择通过时空同步聚焦来控制微流控通道的截面[16]，也就是在飞秒激光脉冲进入物镜前对其光谱分量进行空间分离，然后在物镜的焦点处进行不同频率分量的空间叠加。由于空间叠加仅仅发生在焦点附近，所以焦点处脉冲持续时间最短，强度最高，如此便能够全面地提高加工分辨率。当然，并不是焦点的高宽比越接近1越好，增大焦点的高宽比在钻孔、微流控和并行加工等方面也具有实际意义。南洋理工大学的Zhang团队就利用轴棱锥透镜生成的贝塞尔光进行行扫描，成功地加工出了直径可控的水凝胶纤维、管道和支架[17]。内布拉斯加大学林肯分校的陆永枫团队将时域上的双脉冲和空域上的飞秒激光贝塞尔光束相结合，通过调整脉冲延时，将微通道的刻蚀深度提高了13倍[18]。
除了上述提到的加工方法的改进，基于光抑制原理的超分辨技术也可以有效地提升双光子聚合的分辨率。超分辨系统包含两束光，一束为加工光束，一束为抑制光束，在加工过程中环形的抑制光束可以抑制环中心部分加工光束所诱导的光聚合，从而减小特征尺寸并提高分辨率，目前基于此项原理已研发出受激发射减损显微镜(stimulated emission depletion microscopy，STED)。上海科技大学的顾敏团队先后利用BPE-100光刻胶加工出直径为40 nm的单点和线宽为130 nm的线[3]，利用自研的高机械强度的光刻胶实现了9 nm的线宽与52 nm的线间距[4]，如
图 1. 超分辨的加工原理示意图及加工效果[4]
Fig. 1. Schematic diagram of the super-resolution processing principle and characteristics after processing[4]. Figure reproduced with permission from ref. [4] © Springer Nature
3 飞秒激光微纳加工方法
3.1 飞秒激光直写加工
飞秒激光直写加工三维微结构通常有两种方法：一种是三维平台的移动，另一种是一维移动平台结合振镜的平面扫描实现三维运动。在第二种情况下，振镜会与移动平台之间相互配合，振镜每加工完一层，移动平台就会移动一段距离，振镜再接着加工下一层，如此往复。
两种方法各有优势，研究人员可以根据自己的需求选择合适的加工方法。第一种方法的问题是加工速度慢，因为振镜的响应速度远比移动平台快，所以对于同样的结构第二种方法的加工速度要远远快于第一种。第二种方法的问题是加工面积小，因为振镜的二维加工是通过光束的偏转来实现平面扫描的，在此过程中焦点的形貌会出现畸变，且焦点偏离中心点的距离越大，畸变越大。而三维移动平台的加工则不会出现这种原理性的误差，所以第一种方法的加工范围更大。
结合双光子聚合技术，飞秒激光直写已经可以便捷地加工出具有纳米级精度的复杂三维微结构，如纳米牛[19]、中空微机械[20]、相位板[21-22]以及手性微结构[23-24]等。近年来，飞秒激光加工技术与生物医疗方面的联系越来越紧密，但是原有的飞秒激光加工材料如SU-8[25]、SCR500[19]、SZ2080[21-23]、IP系列[20]等生物兼容性较差，因此其在生物医学方面的应用受到了很大的限制，亟待改进光刻胶的成分。而水凝胶作为一种具有生物兼容性的材料，在结合了飞秒激光双光子聚合之后，已被广泛应用于4D智能传感器[26-28]、驱动器和微机器人[29]的加工。中国科学技术大学的吴东团队利用pH响应水凝胶加工出了仿生微笼，并实现了其各向同性膨胀，利用扫描密度的不同，加工出了仿生叶片，实现了其定向旋转[26]。基于同样的原理，吉林大学孙洪波团队利用飞秒激光双光子聚合实现了加工微结构对不同液体环境的响应变形[27]，以及不同水凝胶材料对于湿度的响应不同实现了信息的加密与隐藏[28]。北京大学的段慧玲团队通过控制飞秒激光对水凝胶材料的加工功率来控制交联密度，使得不同的位置具有不同的刚度，在酸碱刺激响应下产生变形或者运动，如微牵引装置的定向运动[30]，微笼、微支架和微伞的定向膨胀与收缩[31]，以及“变形金刚”两种形态之间的切换等[32]。
除了双光子聚合，飞秒激光直写还可以对多种材料进行烧蚀和改性，形成超润滑[33-35]、超润湿表面[36]、多功能微板阵列[37-38]、纳米沟槽[39-40]、纳米孔[41]和光学微腔[42-43]等微结构，这些经过激光修饰的材料被广泛应用于液滴运输、气泡运输、亲疏水、亲疏气处理、光通信、传感器[44]与生物医学等。北京理工大学的姜澜团队将飞秒激光扫描硅片改性结合化学刻蚀，可以在硅片上制备出高度均匀化的光栅结构，通过控制化学刻蚀的时间有效地控制光栅的形貌，且加工出的结构在白光下显示出鲜艳的结构色[45]，如
图 2. 飞秒激光直写加工[45]
Fig. 2. Femtosecond laser direct writing[45]. Figure reproduced with permission from ref. [45] © De Gruyter
3.2 光学调制加工
为了提升三维结构的加工效率，研究人员在进行加工时充分地考虑到了加工结构的对称性特点，对于光束进行光学调制从而实现多焦点、面曝光加工，这时便需要用到衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)、数字微镜器件(digital micromirror device，DMD)以及空间光调制器(spatial light modulator，SLM)。
3.2.2 DOE
除了之前利用SLM或者DMD通过调制多焦点来实现并行加工，通过DOE实现多光束并行加工也是一个行之有效的方法。早在2004年，多级相位型DOE就被用于在指定位置加工局部周期性结构，并成功在SiO2玻璃表面和玻璃内部精确地加工出微结构[47]，并同时指出可以通过选择合适的DOE焦距以及DOE与物镜之间的距离来减小色散效应。但是在高精度飞秒激光多光束加工中，色差以及脉冲拉伸的影响不可忽略，此时可以通过添加色散补偿模块来改善，而此模块还可以有效地增加加工面积，西班牙海梅一世大学的Lancis团队就利用衍射-折射混合光学系统成功在不锈钢表面同时加工出52个盲孔[48]。
除了被用于加工玻璃和金属，基于DOE的飞秒激光多光束加工也可以基于双光子聚合进行增材制造。国际伊比利亚纳米技术实验所的Nieder等利用一个固定的DOE实现了九束平行光的并行加工，将加工的时间缩短为原来的1/9，如
图 3. 基于DOE的飞秒激光加工示意图及加工效果[49]
Fig. 3. Schematic diagram of the femtosecond laser fabrication based on diffractive optical elements and characteristics after processing[49]. Figure reproduced with permission from ref. [49] © Springer Nature
3.2.3 DMD
均匀的平面光通过DMD系统后可以被调制成任意的二维图案，从而实现大尺寸结构的高速面曝光。同时，由于飞秒激光所具有的单色性和相干性，DMD上的微镜阵列也可以作为衍射光栅，在对分辨率要求不高的应用中，可以选择中等数值孔径的物镜来获得更大的视场和加工区域[50]。
首先，DMD系统可以被用于光场调制。香港中文大学的Chen团队设计的基于DMD的超高速脉冲整形器(DMD-based ultrafast pulse shaper，DUPS)可以调制频率高达32 kHz的激光光源，具有任意的相位整形能力，能量利用率达到1.7%[51]。该团队设计的基于DMD的超高速光束整形器(DMD-based ultrafast beam shaper，DUBS)则可以以4.2 kHz的频率产生分辨率为1140 pixels×912 pixels的任意光束模态，并利用二值全息原理分别生成了艾里光、贝塞尔光、拉盖尔高斯光以及类似“和平鸽”的光束模态，系统的能量利用效率达到了4.7%[52]。无论是在DUPS还是在DUBS中，该团队均使用透射光栅和高反射率反射镜共同补偿DMD引入的角色散。DMD还可以与数字全息技术相结合，在保证高分辨率的同时实现光振幅和相位的灵活调制[53]。
基于DMD的飞秒激光加工具有高通量、高速度、高效率的特点，利用单脉冲即可实现复杂的图案化，在提高加工效率的同时，还可以保证加工结构波长级的分辨率[54]。当飞秒激光DMD系统与时空聚焦、电沉积技术等相配合时[55-56]，可以高效且快速地打印任意形貌的金属三维微结构。将飞秒激光双光子聚合和时空聚焦相结合开发的数字微镜投影加工系统加工速度提高了三个数量级，横向分辨率也可达到175 nm[57]，如
图 4. 结合飞秒激光双光子聚合和时空聚焦的数字微镜投影加工系统示意图及加工效果[57]
Fig. 4. The schematic diagram of the digital micromirror projection system based on femtosecond laser two-photon polymerization and spatio-temporal focusing and characteristics after processing[57]. Figure reproduced with permission from ref. [57] © The American Association for the Advancement of Science(AAAS)
然而，入射激光在DMD系统中的衍射造成了相当大的能量损失，因此在DMD系统中飞秒激光光源的功率都较高，而能量的利用率偏低。在之前的报道中，当波长为800 nm的入射光入射角度为57°，衍射角为33°，相当于m=+4阶，此时该衍射级的能量约占衍射能量的75%，入射光能量的44%[54]。
3.2.4 SLM
与DMD调整振幅的工作原理不同，SLM，如液晶空间光调制器(liquid crystal-spatial light modulator，LC-SLM)，可以通过控制电场的大小进而改变液晶的旋转角度来调节入射光的相位，从而提高光能的利用率，LC-SLM与飞秒激光的结合是由日本德岛大学的研究人员首次提出的[58]。
为了提高基于SLM的飞秒激光加工的效率和分辨率，全息算法和制造方法都进行了相应的改进，以产生能够加工所需图案的光场分布。中国科学技术大学的吴东团队就开发了一种优化的MRAF(mixed region amplitude freedom)算法，可以生成高质量的光场，在240 ms内利用单曝光加工出200 μm×200 μm的微结构阵列[59]。除此之外，还有一些其他的优化算法被提出，如增大全息图有效面积的EVA(effective viewing area)算法[60]，以及加快运算速度的PAS (phase-added stereograms)改进算法[61]。
目前的SLM并行加工方法主要分为两种，一种为多焦点加工，另一种为面曝光加工，面曝光加工又分为横截面和轴向截面曝光加工。2016年，中国科学技术大学的吴东团队提出了一种基于SLM的飞秒激光多焦点并行扫描技术，利用生成的7个并行焦点在微流道中高效加工出微型过滤器[62]。2017年，该团队利用SLM实现了涡旋光束和平面波的同轴干涉光场分布，通过面曝光加工出了三维手性微结构[63-64]，并指出其手性由拓扑电荷决定，此项技术可以被用于光镊、光通信以及超材料的快速制造。2019年，该团队利用SLM分别调制出飞秒环形涡旋光束和具有有序强度分布和多样化可控参数的Mathieu光束，如
图 5. 利用SLM实现并行加工。(a) 利用SLM生成飞秒环形涡旋光束，用于螺旋扫描加工[65]；(b) 利用SLM生成飞秒Mathieu光束[66]；(c) 利用SLM生成C形贝塞尔光束，用于加工微型管道[68]
Fig. 5. Parallel processing based on spatial light modulator. (a) Helical scanning of femtosecond ring-shaped vortex beam based on spatial light modulator[65]; (b) Generation of Mathieu beam based on spatial light modulator[66]; (c) Fabrication of microtubes using C-shaped Bessel beam generated by spatial light modulator[68]. Figure reproduced with permission from: (a) ref. [65] © Wiley; (b) ref. [66] and (c) ref. [68] © American Chemical Society.
图 6. 利用SLM进行焦场调制[72]
Fig. 6. Focal field engineering based on spatial light modulator[72]. Figure reproduced with permission from ref. [72] © John Wiley and Sons
综上所述，基于DMD或SLM的飞秒激光加工可以快速灵活地实现任意微结构的高效图案化加工，同样地，基于DMD、SLM或DOE的多焦点并行加工技术可以快速制备具有高度对称性的微结构。但是加工的结构尺寸较小，主要集中在微米量级，实用性不强。为此，上海光机所的程亚团队利用双光子聚合结合时空同步聚焦技术使得在物镜焦点处激光脉冲的宽度最短、强度最高，在尽可能保证分辨率(10 μm~40 μm)的情况下加工出了毫米级的狮形雕塑和厘米级的微型兵马俑结构[73-74]。
3.3 激光干涉加工
飞秒激光干涉加工主要分为单脉冲干涉加工和多光束干涉加工。飞秒激光单脉冲干涉加工具有高效率、周期可控等优点，是构建周期性功能微纳结构的有效工具，被广泛应用于信息存储、生物医学和超材料等领域。日本东北大学的Sato和名古屋大学的Saitoh团队提出了一种利用单脉冲飞秒激光干涉制作电子相位全息图的方法，利用这种相位全息图生成的电子涡旋光束一阶衍射效率超过了19%[75]。而为了在短时间内生成任意复杂的图案，内布拉斯加大学林肯分校的陆永枫团队提出一种基于迈克耳逊干涉仪的飞秒激光单脉冲时空干涉的方法，相位差分布由SLM控制，干涉强度分布与相位全息图上的几何图形完全一致，使得相位全息图的生成无需复杂的算法和耗时的计算[76]。北京理工大学的李欣团队则利用飞秒激光单脉冲干涉冲压技术在100 nm ZnO薄膜上一步加工出周期为5 μm的精细光栅结构，同时利用泵浦探针显微镜研究了光栅结构的时空演化[77]。
飞秒激光良好的相干性使其在多光束干涉微纳加工时也能具有足够的能量密度，因此可以在硬质材料表面或透明材料内部直接刻蚀或改性，加工大规模周期性微纳结构。通过调节激光能量、入射角、干涉光束数量、聚焦透镜焦距、曝光时间、激光波长等参数，可以调节结构的周期、形态和尺寸。中国科学技术大学的吴东团队就利用分束镜实现了两束激光在金属片表面的干涉，从而加工出周期性的沟槽结构，并指出此种方法具有很强的灵活性，可适用于广泛的材料，如不锈钢、Ti、Ni、Cu、Fe、Zn等[78]。大阪大学的Nakata团队利用DOE生成了飞秒激光干涉加工光场，接着通过金薄膜的SLS (solid-liquid-solid)转换机制在其表面制备出数十至数百纳米的圆度良好的金纳米颗粒，如
图 7. 飞秒激光干涉加工示意图及加工效果[79]
Fig. 7. Schematic diagram of the femtosecond (fs) laser interference processing and characteristics after processing[79]. Figure reproduced with permission from ref. [79] © MDPI
4 微纳光学器件的飞秒激光加工
4.1 微透镜
微透镜阵列以其体积小、成本低、光学性能独特等优点，在光学调制[80-81]、光学传感、光学系统集成等领域发挥着不可替代的作用[82]。基于飞秒激光的微透镜制造方法可分为三个主要分支：减材制造、增材制造和激光间接加工。
为了利用飞秒激光在硬质材料上实现微透镜阵列的减材制造，需要辅助技术来制作表面光滑、成像性能高的微透镜，如转印[83]、湿法蚀刻(如HF溶液)[84-85]、干法蚀刻(如感应耦合等离子体[86])，分别如
图 8. 微透镜加工的不同工艺。(a) 转印[83]；(b) 湿法刻蚀[84]；(c) 干法刻蚀[86]
Fig. 8. Processing of microlenses. (a) Transferring[83]; (b) Wet etching[84]; (c) Dry etching[86]. Figure reproduced with permission from: (a) ref. [83], (b) ref. [84] and (c) ref. [86] © Wiley
微透镜阵列的增材制造主要是通过飞秒激光双光子聚合实现的。基于双光子聚合制备的蛋白基仿生微透镜可以在外界刺激下实现焦距动态调节[93]，如
图 9. 飞秒激光双光子聚合加工微透镜。(a) 酸碱响应的蛋白基微透镜[93]；(b) 酸碱响应的双材料复眼结构[25]
Fig. 9. Micromachining of microlenses based on two-photon polymerization of femtosecond laser. (a) Protein-based microlens in response to the change of pH[93]; (b) Double-material compound eye in response to the change of pH[25]. Figure reproduced with permission from: (a) ref. [93] and (b) ref. [25] © Wiley
减材与增材制造方法具有效率高、灵活、适用材料多等优点，但减材制造工艺复杂，需要集成其他前处理或后处理工艺来优化加工质量，增材制造由于加工范围小，距离实际应用还有很长的一段距离。激光间接加工微透镜则是一种创新的思路，如
图 10. 新型微透镜。(a) 激光诱导热变形加工复杂微透镜阵列[95]；(b) 飞秒激光结合液滴的表面张力直接打印聚合物微透镜[96]；(c) 利用飞秒激光在CMOS图像传感器表面集成复合微透镜[82]
Fig. 10. Innovative microlenses. (a) Complex microlens arrays based on laser-induced thermal deformation[95]; (b) Direct patterning of polymeric microlenses based on the combination of femtosecond laser and surface tension of droplet[96]; (c) Integration of compound lens on the surface of CMOS image sensor based on femtosecond laser[82]. Figure reproduced with permission from: (a) ref.[95] © Springer Nature; (b) ref. [96] © American Chemical Society; (c) ref. [82] © The American Association for the Advancement of Science (AAAS)
目前可加工的微透镜形状是有限的，绝大多数为球面镜。尽管大多数球面微透镜阵列是通过各种表面加工方法制作的，但是如全封闭球形腔透镜[97]这种具有超广角成像能力的光学器件却需要在透明材料内部加工，此时只能采用飞秒激光这种非接触的加工手段。而且一般的后处理工艺，如转印、干法刻蚀或湿法刻蚀都无法适用于内部加工，只能采用如热退火这样的工艺来尽可能提高镜面的光滑度和成像水平[88]。
微透镜主要应用于集成光学微系统中，用于高质量成像。为了满足内窥镜、照明系统和微机器人等领域发展所带来的对光学器件性能和功能的越来越高的要求，德国斯图加特大学的Harald Giessen团队利用飞秒激光双光子聚合技术加工出超紧凑非球面多透镜物镜系统，并将其集成在光纤上[98]，同时还开发出一种“漏斗状”成像方法，将一组2×2的复合透镜成像结果组合成一张高分辨率图像，并集成到CMOS图像传感器上，如
4.2 光波导
光波导是指由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，光的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。目前的飞秒激光波导加工对于材料的依赖性很强，且主要是在透明材料中通过飞秒激光直写实现，如Nd:YAG (掺钕钇铝石榴石)、LiNbO3(铌酸锂)、BGO (Bi4Ge3O12，锗酸铋)等。
根据激光的脉冲能量是否超过目标材料的光损伤阈值，可以将聚焦飞秒激光引起的材料结构变化分为两类。当激光强度低于光损伤阈值时，即所谓的弱损伤区(Type-I改性)，焦点处会形成平滑的折射率变化。而高能量的飞秒激光脉冲会对材料造成严重的损伤(Type-II改性)，形成局部缺陷和材料晶格的局部重新组合。折射率如何变化取决于其物理机制，亦即受激光加工条件(焦点形貌、脉冲能量、频率、脉冲宽度等)和目标材料的物理性质(带隙、色散、电离率、热导率等)的影响。一般情况下，飞秒激光Type-I改性在焦点处导致的折射率变化要小于Type-II改性[99]。而根据波导的形貌分类，目前常见的波导可以分为类似“隧道”的单线波导，应力场诱导的双线波导，以及类似纤维的包层波导结构[99]。
在单线波导结构中，聚焦的飞秒激光将引起焦点处折射率的增加，而且单线波导的结构极其简单[100]，如
图 11. 飞秒激光直写加工光波导。(a) 单线波导[100]；(b) 双线波导[106]；(c) 包层波导[111]
Fig. 11. Femtosecond laser direct writing optical waveguide. (a) Single-line waveguide[100]; (b) Double-line waveguide[106]; (c) Depressed cladding waveguide[111]. Figure reproduced with permission from: (a) ref. [100] and (c) ref. [111] © Wiley; (b) ref. [106] © MDPI.
对于双线波导，飞秒激光在焦点处引起局域晶格膨胀，从而导致折射率的降低，使得两条激光轨迹(间隔为10 μm~20 μm[106])的中间区域具有相对较高的折射率，如
包层波导由一个波芯和许多包围它的低折射率激光轨迹组成，其直径一般在30 μm~150 μm之间。激光轨迹彼此接近，约相距3 μm~4 μm[105]，构成准连续的低折射率势垒，提供所需的光学约束。理论上，波导的截面可以灵活地布置，但在实际应用中，圆形更适用于光纤[99]。包层波导波芯灵活的直径使得波导可以工作在从单模到多模，从可见光到红外光的范围内。在三维上，圆形截面包层波导的形状类似于导向管，原则上可以与商用光纤精细连接，构建光纤-波导-光纤集成光子系统[105]。山东大学的陈峰团队就先后在BGO[108]、LiNbO3[109]、Nd:YAG[12]、Nd:YVO4(掺钕钒酸钇)[110]以及KTA (KTiOAsO4，砷酸氧钛钾)[111]等晶体材料中加工出包层波导，如
尽管如此，波导加工对于材料的依赖性依然太强，尽管有一些已经使用十分成熟的材料，如LiNbO3，在其中加工波导还面临着很多挑战，如在严格聚焦其高折射率所带来的球差，其高非线性所带来的自聚焦、高吸收以及丝状结构[100]等，因此，距离波导在大规模光子器件中的实际应用还需要付出更多的努力。
4.3 微纳光栅
飞秒激光微纳加工被广泛应用在光栅加工中，主要有基于飞秒激光的光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)加工、金属、半导体材料表面的光栅加工、以及介质材料表面或内部的光栅加工。
目前，研究人员已经可以利用飞秒激光相位掩模技术和熔接技术实现相移FBG[112-113]，利用飞秒激光过曝光技术加工负折射率FBG[114]和高双折射FBG[115]。深圳大学王义平团队利用飞秒激光线扫描技术加工出编码FBG阵列作为光纤标签，可以通过测量反向散射信号来解码信息[116]。该团队还利用飞秒激光直接在聚合物中打印出纳米FBG，如
图 12. 飞秒激光微纳光栅加工。(a) 飞秒激光加工FBG工艺流程[117]；(b) 飞秒激光利用柱透镜在硅基底上加工LIPSS[129]；(c) 飞秒激光双光子聚合加工连续相位涡旋光栅[22]
Fig. 12. Fabrication of micro-gratings based on femtosecond laser. (a) Procedures of femtosecond laser fabricating FBG[117]; (b) Fabrication of LIPSS on Si substrate utilizing cylindrical lens based on femt osecond laser[129]; (c) Fabrication of continuous phase vortex grating based on two-photon polymerization of femtosecond laser[22]. Figure reproduced with permission from: (a) ref. [117] © American Chemical Society; (b) ref. [129] © Wiley; (c) ref. [22] © AIP Publishing
采用飞秒激光直写技术可以灵活地制作各种尺寸和形状的光栅，如在石英玻璃内部嵌入纳米光栅作为偏振依赖光衰减器[120]。但是飞秒激光直写加工大面积周期性结构效率很低，利用飞秒激光干涉在硬质材料表面或者内部高效加工微纳光栅则是一种简单而有效的方法。中国科学技术大学的吴东团队利用聚焦激光干涉的方法来保证加工时的能量密度，从而高效率地在金属表面加工出周期性的光栅结构，且光栅本身的衍射效应和单向形貌分别赋予了结构鲜艳的结构色和各向异性的润湿性[78]。
虽然飞秒激光干涉加工光栅的加工效率高，加工面积大，但是其分辨率相对较低(~1 μm)，且易出现加工不均匀的问题[50]。针对此问题，近年来出现了一种新的无掩模、高分辨的加工方法，即激光诱导周期表面结构(laser-induced periodic surface structures，LIPSS)。这种结构的周期从数百纳米到几微米不等，很容易一次成型，并且其周期可以通过控制激光加工参数来调节[121]。到目前为止，已经在多种材料上开展了对于LIPSS产生机制的研究工作，包括金属[122-123]和玻璃[124-125]，通过工艺参数[126]和样品前处理工艺[127]的优化可以改善周期性波纹的形貌。俄罗斯科学院的研究人员利用飞秒激光直接令非晶硅相变产生纳米晶体硅，在固定的脉冲能量下通过改变扫描速度可以使得晶体的表面形态变为均匀的光栅结构，从而调节LIPSS表面的光学特性，使其在可见光范围内实现抗反射或部分透射的性能，并利用此表面结构制作了一种表面增强荧光传感器[128]。飞秒激光直写改性与化学蚀刻的结合还可以进一步提高LIPSS的均匀性，化学刻蚀使得结构的形态更加可控，如
飞秒激光双光子聚合也是一种加工微纳光栅的有效手段，中国科学技术大学吴东团队利用飞秒激光双光子聚合加工出一种连续相位涡旋光栅，并将其集成在光纤端面上[22]，如
4.4 光子晶体
光子晶体是在1987年由John和Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构[134-135]。光子晶体特殊的三维介电结构会产生光子禁带来阻止特定频率电磁波的传播，这种独特的性质与半导体极其类似。目前，光子晶体已经被广泛地应用在集成光子技术、光波导[136]、通信[137]、量子点激光[138]和化学传感[139]等领域。飞秒激光器以其高精度、高效率、真三维、无污染等优点，被广泛地应用于光子晶体加工。
早在1999年，日本德岛大学的Matsuo和Misawa团队就利用飞秒激光双光子聚合在Nopcocure 800光刻胶中加工出了“木堆”结构的三维光子晶体，并且在红外波段观察到了显著的光子带隙[140]。此后，研究人员又分别利用SCR500[141]、S-3[142]、以及SU-8[143]等光刻胶实现了各自的“木堆”结构红外光子晶体，并发现了更高阶带隙的存在，意识到了红外光子晶体在远程通信和传感监测方面的应用前景[144]。澳大利亚斯文本科技大学的顾敏团队就将飞秒激光直写的红外光子晶体集成到微流道中，流体折射率的变化会导致带隙的偏移，该方法测得的折射率灵敏度可达到6×10−3[145]。
近年来，人们对飞秒激光加工光子晶体进行了更加深入的研究。飞秒激光多光子聚合产生的光子晶体的光子带隙已经从中近红外扩展到可见光。2014年日本静冈大学的Mizeikis团队利用飞秒激光双光子聚合在SZ2080光刻胶中加工出具有结构色的“木堆”结构三维光子晶体，并指出结构色的产生是由于光子晶体的高阶带隙落在了可见光波段，但是其光子带隙的基带仍然在红外波段，将基带移动到可见光波段对于飞秒激光双光子聚合的分辨率是一个很大的挑战[13]。而新加坡科技设计大学的Yang团队利用飞秒激光双光子聚合技术结合热致收缩的方法，先打印出光子禁带位于红外波段的木堆结构光子晶体，再将其加热到450 ℃，通过控制加热时间来控制收缩的比例，使得光子禁带移动到可见光波段[146]，如
图 13. 飞秒激光加工可见光波段的“木堆”结构光子晶体[146]
Fig. 13. Fabrication of woodpile photonic crystal whose stop band lies in the visible spectrum based on femtosecond laser[146]. Figure reproduced with permission from ref. [146] © Springer Nature
总体来说，具有可见光带隙的三维光子晶体在直接打印具有金属光泽、耐光性、低毒性和持久性的结构色方面具有重大意义，而且上述加工手段有望将光谱选择性器件(如基于光子晶体的滤色器)直接集成到任意形状的光学元件和曲面上。但是目前的工艺较为复杂，且加工的自由度受限，不同批次产品的加工一致性也难以保证，更加可行的方法是利用超分辨技术来进一步提高飞秒激光双光子聚合的分辨率，从而实现“木堆”结构的一次成形。
除此之外，飞秒激光还可以实现非线性光子晶体的加工。近年来，为了满足超快信号处理、太赫兹技术等应用对非线性混频过程中高效率频率转换的要求，非线性光子晶体被用来进行三维空间的相位匹配。南京大学肖敏、祝世宁团队联合中国科学技术大学吴东团队利用飞秒激光选择性擦除技术制备了三维LiNbO3非线性光子晶体[149]，可以有效产生二次谐波涡旋光束和厄米高斯光束，同时满足非线性波前整形和准相位匹配的要求，与传统二维光子晶体相比，转换效率更是提高了两个数量级[150]，如
图 14. 飞秒激光加工非线性光子晶体。(a) 在LiNbO3中加工非线性光子晶体[150]；(b) 在BCT中加工非线性光子晶体[151]
Fig. 14. Fabrication of nonlinear photonic crystal based on femtosecond laser. (a) Fabrication of nonlinear photonic crystal in LiNbO3[150]; (b) Fabrication of nonlinear photonic crystal in BCT[151]. Figure reproduced with permission from: (a) ref. [150] and (b) ref. [151] © Springer Nature
5 展望
飞秒激光与材料之间的非线性相互作用与材料特性无关[50]，这使得飞秒激光在微纳加工方面具有得天独厚的优势，可以在多种材料表面或内部加工纳米级精度的微光学器件。尽管如此，飞秒激光微纳光学器件加工仍存在如下研究不足：
第一，飞秒激光加工技术与时空聚焦、超分辨技术的结合使得加工分辨率获得了进一步的提高。而与基于DMD、SLM和DOE的多焦点并行加工技术、基于DMD和SLM的面曝光技术的结合，则极大地提高了飞秒激光加工的效率。目前为止，时空聚焦已经与基于DMD的面曝光技术成功融合[57]，可以有效地调节加工分辨率，但是超分辨技术目前处于探索阶段，其与多焦点并行加工技术的融合还是一个很大的挑战。
第二，目前光学器件的加工主要是通过飞秒激光直写实现的，并行加工的工艺还仅仅是停留在理论以及效果的展示上，离被广泛地用于光学器件加工还有很多工艺上的困难需要克服，如加工效率的提高带来了加工质量的下降，而光学器件对于加工精度的要求极高。并行加工的另一个问题是加工自由度受限，如多焦点加工同一结构时，存在不同加工模块之间的拼接，但是在加工过程中研究人员却不能够灵活地调节各个焦点之间的相对位置，这时就会引入拼接误差，结合部容易产生缺陷。当然这种拼接误差在加工小尺寸结构时影响不大，但是随着加工结构尺寸的增大，这种误差会出现累积。
第三，目前飞秒激光加工光学器件多为原位加工，一次性加工成型，这是因为飞秒激光加工的结构尺寸太小。如果引入多道工序，势必会引入装配误差(微米级)，而此装配误差对于高精度的光学系统来说一般是不可接受的。而若要将飞秒激光实际地应用于工业生产中，则势必需要避免这种误差，如可通过并行加工系统来实现，但是这又将限制加工的灵活性。更加有效的方法是将这种装配误差减小到可接受的范围内，而这方面的研究很少被报道。这极大地限制了飞秒激光加工的光学器件的集成性以及大规模实际应用的可能性。
第四，随着光学器件逐渐小型化、集成化的趋势，飞秒激光加工光学器件具有广阔的发展前景。飞秒激光可以与各种化学刻蚀、后处理技术相结合，在玻璃中加工微透镜、波导和光栅。此外，飞秒激光还可以对金属材料表面进行光学改性，在光纤端面集成微透镜、相位板，在晶体材料中加工非线性光子晶体，或直接制备光子晶体光纤等等。然而，将这些器件集成到微光学系统，如光子芯片中，却仍然面临许多问题，如实现各种光学器件在同一基底上的封装，避免不同光学器件之间的串扰，以及光电信号的高效转换等。
此外，虽然已经对飞秒激光加工光学器件的应用进行了一定的探索，但是相关的研究依然不够系统，不成体系，很多理论模型还亟需进一步修正。为了在物理化学、生物传感以及微机械、微电子等领域充分发挥飞秒激光的应用潜力，还需要进一步的理论创新及工艺优化。
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董彬, 张娟, 王达伟, 张亦元, 张乐然, 李瑞, 辛晨, 刘顺利, 张子航, 吴昊, 蒋绍军, 朱苏皖, 刘炳瑞, 吴东. 飞秒激光加工微纳光学器件[J]. 光电工程, 2023, 50(3): 220073. Bin Dong, Juan Zhang, Dawei Wang, Yiyuan Zhang, Leran Zhang, Rui Li, Chen Xin, Shunli Liu, Zihang Zhang, Hao Wu, Shaojun Jiang, Suwan Zhu, Bingrui Liu, Dong Wu. Femtosecond laser micromachining optical devices[J]. Opto-Electronic Engineering, 2023, 50(3): 220073.
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