面向硬脆材料的精密制造技术——干法刻蚀辅助激光加工

蓝宝石晶体由于其覆盖紫外至中红外的高透过率、超高硬度、良好的热稳定性和化学稳定性等优良的物理、化学和光学性质,已被广泛用于军事、工业、医学和航空航天等领域。由于传统加工工艺的限制(机械加工精度低、掩膜腐蚀的各向异性导致结构保真度低),蓝宝石在微纳光学领域的应用受到极大的限制。近年来,飞秒激光微纳加工技术由于具有真三维加工能力,突破衍射极限的加工精度等优势,已在微电子、微光学、微机电系统、生物传感等领域微纳结构的精密制造中得到验证并实现了越来越广泛的应用。利用飞秒激光烧蚀技术能够实现蓝宝石等硬脆材料微纳米结构的制备。然而对于硬脆材料的加工,通常需要采用高能量密度激光对材料进行烧蚀,加工精度不高且无法实现快速扫描加工。另外,飞秒激光与蓝宝石晶体相互作用是一个多光子吸收产生库伦微爆炸的过程,制备的蓝宝石表面结构表面粗糙度较大而且易于碎裂,难以满足光学器件对高表面平滑度的要求。

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干法刻蚀辅助飞秒激光加工复合技术,实现了蓝宝石微纳光学结构的快速精密制备。基本原理是利用低能量的飞秒激光脉冲快速在材料中形成化学改性区,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。随后利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀实现改性区的优先快速去除并实现结构的逐步平滑成型。他们以具有大视场角的曲面复眼的制备为例,验证了该技术的原理并研究了相关的加工及刻蚀工艺。搭建了基于振镜和场镜相结合的加工系统,在保证加工精度的前提下极大的提高了加工效率和加工面积。结合ICP刻蚀技术,首次在蓝宝石衬底上实现了厘米级曲面复眼的制备,表面粗糙度仅有1 nm左右。而且与直接飞秒激光烧蚀相比,加工效率提升两个数量级。在此基础之上,基于蓝宝石玻璃与K9玻璃之间显著的热膨胀系数差异,以蓝宝石凹面复眼为模板,利用高温浇注转写技术首次实现了厘米级K9玻璃曲面复眼(由19万直径为20微米的子眼紧密排列在曲面上构成)的制备,视场角可达到90度。

总之,利用干法刻蚀辅助激光加工技术能够有效解决蓝宝石等硬脆材料加工面临的加工效率、表面平滑度、加工精度等问题,为蓝宝石等硬脆材料在微纳光学领域的应用奠定了基础。相关论文发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201900037)上。

Speak Your Mind