陳 烽，楊 青，邊 浩，杜廣慶，柳克銀，孟祥衛(wèi)，鄧澤方，山 超

（西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，陜西 西安710049）

引言

飛秒激光是20世紀(jì)末迅速發(fā)展起來的一種超快激光光源，與長脈沖激光以及連續(xù)激光不同，它具有超短的脈沖持續(xù)時間和超高的峰值功率等特性，當(dāng)其與物質(zhì)相互作用時，能夠以極快的速度將能量注入到很小的作用區(qū)域，瞬間內(nèi)的高能量密度沉積可使電子的吸收和運動方式瞬間發(fā)生劇烈變化。因此，避免了激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴散等的影響，從而在根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用的瞬態(tài)微觀機制，使飛秒激光與物質(zhì)相互作用的過程成為具有超高精度、超高空間分辨率的非熱熔“冷”處理過程，這有利于更細微結(jié)構(gòu)的高精度加工。由于飛秒激光在三維高精度微結(jié)構(gòu)制備中所表現(xiàn)出的優(yōu)越特性，自20世紀(jì)90年代以后，飛秒激光微納制造已成為微加工領(lǐng)域的熱點研究方向之一。

在飛秒激光微納加工技術(shù)中，飛秒激光雙光子聚合（two-photon polymerization，TPP）是最為成熟的一種技術(shù)，被認為能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎任意形貌的三維微納結(jié)構(gòu)。1999年，美國的cumpstom等人利用該技術(shù)在樹脂內(nèi)部加工出光子晶體結(jié)構(gòu)［1］。2001年，日本Sun（孫洪波教授）等人正是利用該技術(shù)，在光刻膠中制備出尺寸為10μm的“納米牛”結(jié)構(gòu)。作為該技術(shù)的代表性成果，這一結(jié)果發(fā)表在當(dāng)年的《Nature》雜志上［2］。利用該方法可以制備任意形貌微透鏡陣列，加工誤差小于5%，表面粗糙度能夠控制在納米量級。但該方法仍然存在一些缺點。比如，加工效率低下，不適合大尺寸復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制作，且加工材料也限于光敏聚合物［3－5］。利用飛秒激光直接進行材料去除也是普遍采用的一種技術(shù)，我們在2009年采用自上而下（top-down）刻蝕工藝與激光拋光工藝結(jié)合的方法，首先采用逐層掃描刻蝕形成球冠結(jié)構(gòu)，然后用過頂弧線掃描的方法對球冠結(jié)構(gòu)進行拋光，實現(xiàn)了直徑為50μm，高度為13.2μm，能夠初步實現(xiàn)聚焦、成像等功能的玻璃微透鏡［6］。該方法可用于超硬材料表面光滑曲面微結(jié)構(gòu)的高精度三維微加工。然而該方法在制作效率上同樣存在缺陷，比如加工這樣一個透鏡需要約30min，而制作一個4×4的微透鏡陣列則需要將近8h。顯然，這種方法無法用于大規(guī)模微透鏡陣列器件的制備。激光加工效率的問題嚴(yán)重制約了飛秒激光微加工技術(shù)走向?qū)嶋H工程應(yīng)用。

近期，我們提出了一種新的飛秒激光微納制造方法——飛秒激光濕法刻蝕，可以實現(xiàn)在石英、玻璃等材料上三維微結(jié)構(gòu)的快速、高精度制作，從而在硬質(zhì)工程材料三維結(jié)構(gòu)的高效微納制造方面取得了一次重要的突破［7－12］。在玻璃上利用飛秒激光濕法刻蝕實現(xiàn)了形貌可控微透鏡陣列制備，并將該工藝同復(fù)制工藝相結(jié)合，實現(xiàn)多種微透鏡陣列的高效率、低成本制備，在石英材料內(nèi)部采用該方法也實現(xiàn)了任意長度均勻微通道的制備［13－14］。

1 飛秒激光濕法刻蝕制備微透鏡陣列

飛秒激光經(jīng)物鏡聚焦后，在其焦點處會形成高溫高壓的極端物理場，在這種極端條件下會造成材料化學(xué)鍵鍵角的減小，輻照區(qū)材料的化學(xué)反應(yīng)活性增加，并伴隨著自組裝納米結(jié)構(gòu)的形成，形成局域的光影響區(qū)。材料光影響區(qū)與化學(xué)腐蝕液中的反應(yīng)速度會遠大于未經(jīng)激光輻照的區(qū)域。從而可以在后續(xù)的化學(xué)濕法刻蝕中實現(xiàn)材料的快速去除和三維結(jié)構(gòu)的形成。利用上述原理能夠在石英玻璃表面快速加工出高質(zhì)量的凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)。具體實現(xiàn)方法如圖1（a）所示。首先，用聚焦飛秒激光逐點輻照玻璃樣品表面，曝光點在材料上形成球形光影響區(qū)，通過排布激光的曝光點將改變透鏡的分布和具體形貌；隨后，將樣品置入HF溶液進行化學(xué)濕法腐蝕。通過精確控制化學(xué)溶液的濃度、腐蝕時間以及環(huán)境溫度可以對光影響區(qū)腐蝕的速率，從而對微透鏡的尺寸和形貌進行精確控制。

實驗中，我們所用的飛秒激光光源為多通鈦寶石光學(xué)參量放大系統(tǒng)，中心波長為800nm，脈寬為30fs，重復(fù)頻率為1kHz。樣品通過一個三維控制平臺來進行精確控制，平臺精度＜1μm，單向重復(fù)定位精度高于±0.7μm，雙向重復(fù)定位精度高于±2.2μm。平臺可以通過電腦編程控制來實現(xiàn)對加工平臺的控制。凹透鏡結(jié)構(gòu)制備好以后，我們通過光學(xué)顯微鏡（Nikon V100）、激光共聚焦顯微鏡（LCM，S-130，OPTELICS）、場發(fā)射電子顯微鏡（SEM，JSM-7000F，JOEL）以及原子力顯微鏡（AFM，NT-MDT）等對結(jié)果進行表征。

圖1（b）為利用該方法制備的凹透鏡陣列SEM圖，透鏡間距為100μm，直徑為60μm，實驗中，所采用的激光脈沖能量為2.5μJ，HF酸的濃度為5%。SEM測試結(jié)果表明該方法加工出的微透鏡表面質(zhì)量非常良好。圖1（c）是凹透鏡的光學(xué)虛像成像圖?？梢钥闯鏊傻南穹浅Ｇ逦?，這也說明我們利用飛秒激光濕法刻蝕所制備的微透鏡光學(xué)性能良好。利用AFM對凹結(jié)構(gòu)底部區(qū)域測得其平均粗糙度為9.87nm，說明飛秒激光濕法刻蝕制備的微結(jié)構(gòu)得到光學(xué)級的表面粗糙度。

圖1 飛秒激光濕法刻蝕方法制備平面微透鏡陣列Fig.1 Fabrication of planar microlens array by femtosecond laser wet etch method

1.1 高填充比微透鏡陣列制備

高填充比（high fill factor）微透鏡陣列能夠增加單位面積內(nèi)微透鏡的個數(shù)，有助于提高圖像傳感器的敏感度以及顯示器或者照明器件的投射光源的連續(xù)性。利用飛秒激光濕法刻蝕工藝，成功制備出多種100%填充率的微透鏡陣列。透鏡的形狀包括矩形、六角形、三角性以及八邊形和菱形的復(fù)合微透鏡陣列。制備出的六邊形微透鏡陣列如圖2所示，該透鏡尺寸（六邊形對頂點距離）為80μm，深度為6.7μm。飛秒激光濕法刻蝕工藝能實現(xiàn)石英玻璃表面負透鏡陣列的加工，由于石英玻璃具有良好的機械強度與熱學(xué)性能，非常適合作為復(fù)制用的模板。我們將飛秒激光濕法刻蝕工藝同納米壓印工藝結(jié)合，可進一步實現(xiàn)微透鏡陣列的低成本高效制備。通過PMMA熱壓印技術(shù)，將玻璃表面凹透鏡陣列反向復(fù)制在聚合物上，實現(xiàn)了凸透鏡陣列的加工。以上述六邊形玻璃微透鏡陣列為模板，在PMMA基板上壓印復(fù)制出了六邊形凸透鏡陣列，結(jié)果如圖3所示。凸透鏡的直徑為80μm，高度為6.7μm。

1.2 平面多焦點微透鏡陣列制備

由于每一組激光曝光點間距較小，在化學(xué)刻蝕過程中，每個輻照點所形成圓形凹面結(jié)構(gòu)相互連接，就形成多個凹透鏡疊加在一起的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整輻照點的位置，可以形成復(fù)雜構(gòu)型的微透鏡陣列。圖4（a）～4（d）四圖分別顯示了能夠產(chǎn)生2、3、4、6個焦點的微透鏡陣列。從圖中可以看出，由于相鄰凹透鏡相互疊加在一起，形成的新的多焦點透鏡呈現(xiàn)出規(guī)則“花瓣”狀結(jié)構(gòu)。對于2、3、4焦點微透鏡，最終結(jié)構(gòu)的直徑約為80 μm；而6焦點透鏡的直徑為100μm左右。

圖4 平面多焦點透鏡陣列Fig.4 Results of multifocal planar microlens array

2 透明材料內(nèi)部三維微結(jié)構(gòu)制備

2.1 3D螺旋微通道制備

基于飛秒激光的微加工技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)材料表面三維微結(jié)構(gòu)的制備，還可用于透明材料內(nèi)部三維微結(jié)構(gòu)的加工。三維螺旋微通道是一種真三維的曲線型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這種三維曲線型結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把原來的直線通道在三維空間密集纏繞，能夠在三維空間提高通道的集成度。利用“側(cè)開孔”和“能量補償”方法改進后的飛秒激光濕法刻蝕工藝可制備這種復(fù)雜的真三維微通道結(jié)構(gòu)。圖5為采用飛秒激光濕法刻蝕在石英內(nèi)部制備出螺旋微通道陣列，螺旋管直徑100μm，匝數(shù)達到14匝，通道直徑為20μm左右，長徑比超過100。

圖5 三維螺旋微通道陣列Fig.5 Results of 3D helical microchannel arrays

3 結(jié)論

本文給出了一種飛秒激光濕法刻蝕微納制造的新方法，實現(xiàn)了在硬質(zhì)材料上復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的超精細制作，成功制備出多種高質(zhì)量玻璃微透鏡陣列；并通過將該工藝同復(fù)制工藝結(jié)合，實現(xiàn)了高質(zhì)量透鏡陣列的高效批量制備。同時，利用飛秒激光濕法刻蝕在石英內(nèi)部也成功制備出了復(fù)雜三維微通道結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，飛秒激光濕法刻蝕技術(shù)可以有效實現(xiàn)在硬質(zhì)工程材料上三維微結(jié)構(gòu)的快速、高精度制作，從而可以為硬質(zhì)工程材料上復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)微納制造提供了一種全新的技術(shù)途徑。

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