高性能红外微光学元件的飞秒激光微纳制备

The infrared micro-optical components have important applications in military and civilian fields for the advantages of small volume, light weight, flexible and easy to integrate. But it is still a great challenge to fabricate the high performance infrared micro-optical components for the current processing technology. Focusing on the key effects of efficiency, accuracy, morphology control in fabrication of infrared micro-optics system, this program aims at finding out the new technology to fabricate infrared micro-optical components via femtosecond laser wet etch technique. The research interests will be focused on the laser energy deposition and diffusion mechanism of femtosecond laser modified infrared materials, lattice structure destruction mechanism, surface microstructure evolution and formation mechanism, etc. We will make a thorough inquiry of the target modification mechanism, high localized selective material removal mechanism, surface chemical polishing mechanism of femtosecond laser effect on infrared optical materials and achieve the efficient, high-quality preparation of infrared micro-optics components. In study the modification mechanism and dynamic process of the laser effect on the infrared optical material, chemical wet etch and polishing mechanism of laser modified material will be gradually clarified. At last we will develop the new method for efficient high-quality preparing of infrared micro-optical components via femtosecond laser wet etch and achieve ultra-fine preparation of high performance infrared micro-optical components.

红外微光学元件具有体积小、重量轻和易于集成等优点，在军用和民用领域都具有十分重要的应用价值，但目前在红外微光学元件的超精细制备方面仍面临着诸多技术挑战。本项目针对红外微光学元件制备中影响效率、精度、形貌控制等关键问题，提出了一种红外微光学元件的飞秒激光湿法刻蚀制备方法。拟通过深入研究红外光学材料在飞秒激光作用下的激光能量沉积和扩散机制、材料晶格结构破坏、表面微结构演变和形成机制等，探索飞秒激光对红外光学材料的靶向改性机制，以及红外光学材料激光改性区的选择性高定域去除机制和表面化学抛光机制，从而实现红外微光学元件的高效、高质量制备。并在研究中逐步澄清激光对红外光学材料改性的作用机理以及材料的化学湿法刻蚀和抛光机理，发展和形成红外微光学元件的飞秒激光湿法刻蚀高效、高质量制备新方法。

本项目重点研究红外微光学元件的飞秒激光湿法刻蚀微纳制造新方法。通过调控飞秒激光微区的改性结果，增强微区材料的化学反应活性，进而结合化学湿法刻蚀，在单晶硅、硒化锌等典型红外光学材料上实现了复杂三维结构的高效高质量制备。实验研究证明了项目探索出的新方法可以有效实现红外微透镜阵列的高效、高精度制备。其中，在基础理论方面：建立了飞秒激光诱导材料微纳结构的电子动力学模型，预测了飞秒激光与材料作用温度场时空分布特性与加工的微纳结构特征。通过时间分辨阴影成像系统，在皮秒到纳秒的时间窗口上直接拍摄观测飞秒激光烧蚀单晶硅材料的动态过程，揭示了烧蚀过程中各个阶段的物理机制；通过Comsol、matlab等数值仿真手段，研究表明通过调控脉冲链的脉冲间隔、偏振和强度比等参数可以有效地操控光作用区的电离度及改变表面等离子激元色散波长，从而获得对激光作用微区结构的精确调控。在红外光学材料的飞秒激光湿法刻蚀工艺模型建立方面：研究了激光加工中材料吸收光子能量对化学键的激活、改性机制，通过调控飞秒激光与物质相互作用，实现了材料加工区的靶向改性，获得了单晶硅材料、硒化锌材料的飞秒激光湿法工艺模型和化学抛光模型。在红外微光学元件制备方面：通过调整加工参数、飞秒激光辐照点排列方式和腐蚀时间，设计和实现了四边形、六边形和准周期三种排布的红外微透镜阵列。所制备的准周期微透镜阵列单元数达到百万单元，加工时间小于一小时。制备得到的红外微透镜阵列形貌可控，具有良好的一致性和表面粗糙度，微透镜阵列填充比趋于100%。通过反射聚焦可见光和成像情况测试红外微透镜的光学性能，说明了红外微透镜阵列具有很好的一致性和优良的光学性能。将探索得到的新飞秒激光湿法刻蚀方法进一步拓展，实现了“lens on lens”、曲面复眼微透镜阵列新颖光学成像结构。因此项目研究对于微纳加工领域以及红外技术都具有重要意义。