离子束刻蚀辅助飞秒激光加工技术

碳化硅、金刚石等硬脆材料由于在紫外至中红外波段具有高透过率、 高密度、 高硬度、 高熔点、热稳定与化学惰性等特性成为制备在强辐射、高低温、腐蚀等苛刻环境条件下工作的光学元件的理想材料。同时高硬度、高稳定性等特性使得对其进行微纳加工极其困难。由于高脉冲能量带来的光与物质的非线性相互作用,使得飞秒激光加工成为实现硬脆材料精密成型的理想技术,但具体实施面临如下问题的挑战:一方面,激光烧蚀过程中突变的阈值边界引起的定量去除难导致加工精度较低,而且高能量飞秒激光烧蚀材料诱导的表面微纳结构以及散落颗粒导致结构表面质量较差。另一方面,逐点材料去除造成加工效率较低。

针对如上问题,清华大学孙洪波教授和吉林大学陈岐岱教授团队合作提出了一种面向硬质材料精密加工的通用技术:离子束刻蚀辅助飞秒激光加工技术。基本原理是利用低能量的飞秒激光脉冲快速在材料表面诱导形成平滑的“种子”改性区,由于脉冲能量的沉积使得改性区具有更高的物理化学活性,从而具有更高的刻蚀速率。随后利用离子束刻蚀实现改性区的优先快速去除并利用离子轰击方向对刻蚀速率的影响实现结构的成型与表面平滑。他们以微透镜阵列的制备为例,验证了该技术的原理及其在多种材料上的加工应用。通过调节激光加工参数和刻蚀工艺实现了微透镜形貌和参数的调控,其表面粗糙度仅有2.5 nm。另外,由于飞秒激光加工和离子束刻蚀对材料的无选择性,使得其可以用于加工几乎任何材料。实验中验证了该技术在石英玻璃、砷化镓、碳化硅和金刚石材料上实现微透镜阵列的制备,并展现了良好的光学成像和聚焦效果。

将飞秒激光加工和离子束刻蚀技术相结合能够有效解决硬脆材料加工的表面精度问题,为硬质材料三维微纳器件的精密制造及应用提供了一种新的通用的加工方法。相关论文发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201800272)上。

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