飞秒激光时空相干协同整形调控电子动态实现灵活的材料表面选择性图案化加工

由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性、偏振可控等特性,激光加工可在远离平衡态条件下,非接触、选择性地多尺度控制或改变材料的物态和性质,具有无需掩膜一次成型、非接触式加工、无需真空环境、制造效率高等优势。同时飞秒激光在能量密度、作用空间和时间尺度等方面都可分别趋于极端,使其制造过程所利用的物理效应、作用机理不同于传统制造,如非线性(多光子等)非平衡(电子间非平衡、电子与晶格间非平衡等)的吸收和非热相变(库仑爆炸、静电剥离等),从而促生制造新原理新方法的发展。

研究激光加工的重要意义在于该技术倾向应用到制备非标准光电产品和非标准形状产品,尤其是在国防、航天和航空等尖端领域内,对制备出具有不规则形状和特殊图形的表面微结构的产品与器件有迫切需求。采用飞秒激光直接在薄膜表面蚀除材料,从原理上讲,可实现任意复杂图案的高质量加工,其所具有的高灵活性,以及操作简易等优势,使得该技术成为表面微结构器件与产品最有潜力的理想制造手段之一。

在使用飞秒激光进行表面图案化加工时,光场空间分布及与被加工材料的光子-电子相互作用过程直接决定了加工结构的几何形状。但传统空间整形方法(相位掩膜版、衍射光学元件等)不够灵活,数字微镜器件(DMD)难以实现灰度整形。基于空间光调制器(SLM)可实现任意复杂光场形状整形,但为获得对应的高精度全息图,需使用复杂算法进行大量迭代计算(尤其在需要大面积或三维拼接时),极大限制了效率的提升。

北京理工大学姜澜教授前期在国际上原创性地提出了飞秒激光电子动态调控的微纳制造新原理新方法,首次实现了制造中对瞬时局部电子动态的主动控制,拓展了激光制造极限能力,大幅提高了加工效率、精度、一致性、深径比等,获得国际广泛关注与系列应用,为新能源、航空航天等国家重大需求的核心构件提供了关键制造支撑。

在此基础上,北京理工大学李晓炜研究员及同事首次提出了以相位型空间光调制器及反射镜作为两臂的迈克尔逊干涉式时域/空域相干协同整形新方法,创新地实现了飞秒干涉光场空间形状与能量分布的任意灰度整形,通过调控金属薄膜材料瞬时局部电子密度分布及其温度,利用飞秒激光强阈值效应调控光子与电子相互作用过程,实现了材料局部可控的选择性图案化去除。该方法克服了传统面投影全息加工需要大量的全息图迭代计算时间的难题。同时,传统高斯光束容易对薄膜材料的基底造成损伤,通过新方法匀化图案光强分布,有效调控了材料内电子密度分布,对薄膜结构具有加工选择性,达到仅加工薄膜表面而不影响基底的选择性加工效果,有效避免了激光对基底材料的损伤,大幅提升加工质量。此外,通过对能量分布的控制,能够在一次曝光扫描材料的过程中同时诱导多种不同形貌的表面结构,实现了高灵活高可控性加工。在此基础上,提出基于时空相干协同整形飞秒激光单脉冲直接在材料上并行面投影曝光,结合串行飞行式扫描拼接,实现了表面图案化微结构的大面积高效率加工。据我们所知,这是首例基于时空协同整形面投影实现表面图案的大面积拼接的研究报道。应用该方法,作者高效加工出大面积太赫兹超表面器件,展示了其电磁屏蔽/滤波光学窗口的功能。此项研究为表面微细结构的高效率、选择性、高质量加工提供了一种全新的思路,有望为激光制造在电磁屏蔽、红外隐身、天线雷达技术领域的广泛应用起到关键作用。

相关工作以“Flexible Gray-Scale Surface Patterning Through Spatiotemporal-Interference-Based Femtosecond Laser Shaping”为题,发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201801021 )上。该工作由北京理工大学机械与车辆学院、光电学院,及美国内布拉斯加林肯大学完成,论文第一作者为北京理工大学博士生李柏弘。