飞秒激光高速、大视场微纳制造的新方法及其机理研究

Femtosecond laser micronanofabrication has demonstrated broad application potential from fundamental researches to national defense industry. However, its wide usage is being restricted by the low fabrication efficiency arising from the single-point (volume element, or voxel) scanning strategy. In this proposal, we propose construction of primitive units in single exposure. The unit is a reflection of sub-focal structures that is to be established by tuning the incident light parameters such as polarization, orbit momentum and phase. Since the primitive units consist of thousands of voxels, the overall fabrication efficiency would be improved by orders. The project will focus on the technologies of primitive units construction by using spiral phase plates that will be fabricated by direct laser writing, a matured micronanofabrication approach in our lab, and by liquid crystal spatial phase modulators. The current research would make a new concept in the field of femtosecond laser micronanofabrication.

飞秒激光微纳加工已经展示了从基础研究到国防高科技各个领域的广泛应用前景，但受制于单点直写造成的效率低下问题，面临走向工业应用的瓶颈。本项目从激光单点直写的几何“点”（加工体积元）入手，通过偏振、位相等多维参数调控，实现具有丰富内在构成的亚焦点结构，进而实施与通常点扫描或者体积元扫描完全不同的结构基元扫描。结构基元由成千上万个体积元组成，这一技术可以突破加工效率和加工视场、加工精度的内在矛盾，大幅度提升加工效率。通过项目研究，阐明由多维参数调控构建亚焦点结构的基本规律，掌握以空间光调制和衍射微光学螺旋位相调控等为代表的典型亚焦点结构构建方法；通过时域有限差分等矢量衍射设计与逆向工程相结合，实现对复杂三维周期构造的几何解析、基元构造解析和基元扫描；界定亚焦点结构和基元加工概念的基本内涵和外延，实现基元扫描这一高速、大视场微纳制造新方法。

面向解决飞秒激光加工保持高加工精度的同时具有高加工效率这一难题，本项目结合空间光场调制和干法湿法刻蚀等开展了飞秒激光微加工研究，极大地推动了飞秒激光高速、大视场微纳制造基础研究。开展的研究内容包括：进行飞秒矢量光束的产生、传播和控制理论研究，研究了飞秒加工系统中矢量光波的调控理论和飞秒激光矢量光波偏振态测量；构建理论光场分布模拟的全息图，研究空间光调制器控制激光焦点分布，探索双焦点和可调数值孔径的石英微透镜可控制备，以及实现对石英内部高精度折射率均匀调节的改性加工；开展并行微透镜阵列研究，实现了快速、大面积二维微透镜阵列的制备，进行了三维全息算法，实现了呈空间分布三维微透镜阵列；利用飞秒激光脉冲诱导形成微改性区，再利用湿法刻蚀技术和纳米压印技术实现微结构阵列大面阵制备，极大提高加工效率，并探索其在匀光器和真三维复眼微透镜阵列等方面的应用；利用飞秒激光振镜、场镜快速扫描加工实现了厘米级大面积蓝宝石微凹透镜阵列的制备，并利用制备的大面积蓝宝石微凹透镜阵列实现了紫外光束的匀化。具体取得成果包括：在加工精度方面，利用超快激光-微纳结构相互作用的光场自约束效应，实现最小30nm的精度；在加工尺寸和速度方面，利用干法刻蚀结合飞秒激光振镜场镜快速扫描方式制备了1cm×1cm大面积均匀排列的蓝宝石微凹透镜阵列，加工微孔阵列的速率高达25000个每分钟，粗糙度1.1nm；在应用拓展方面，制备的微凹透镜阵列匀光器将紫外、可见和红外飞秒脉冲激光光束从高斯分布转化为平顶式强度分布；制备出直径为5mm、基底高度为1.5mm和微透镜单元尺寸24.5µm的大尺寸人工复眼，视场角约达到128°。如上结果都已达到预期目标。. 围绕项目共发表SCI论文94篇，ESI高被引1篇，获授权发明专利6项；入选“第二届全国光学工程学科优秀博士学位论文”和“2018年度中国电子学会优秀博士学位论文”各一篇，荣获“2018年度第十五届王大珩光学奖高校学生光学奖”一项。