传统的飞秒激光3D直写系统由飞秒激光器、高数值孔径(NA)物镜以及3D加工平台构成，这种加工方式已经在微纳加工领域得到了广泛的应用。但是，为了进一步实现高效率、高精度和跨尺度激光加工，需要对飞秒激光进行空域和时域的相干操控。由于飞秒激光与材料介质的相互作用具有高度非线性，飞秒激光加工的空间分辨率对焦点处光强的空间分布非常敏感。因此，对激光-材料相互作用区超快光场的精确操控尤为关键。此外，由于飞秒激光具有很宽的光谱范围，因此可以在亚周期时间量级上对飞秒激光脉冲进行时域整形。

下文带你一起看各类空间整形技术，以及在飞秒激光直写形貌控制、加工效率提升等方面的应用。

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狭缝整形技术

在典型的飞秒激光3D加工过程中，飞秒激光脉冲一般由显微物镜聚焦到材料内部，以形成局域化的改性区域。激光聚焦焦点处光场在横向(焦斑半径方向)和轴向(激光传播方向)的分布通常情况下并不平衡。除此之外，由于飞秒激光与材料作用的极端非线性，激光脉冲的自聚焦在轴向会更进一步使得改性区域的轴向尺寸远大于横向，这就造成了激光材料加工、光学成像等领域中横向和轴向分辨率不对称的问题。例如，通过在石英玻璃材料内部扫描紧聚焦的飞秒激光焦点，可以在激光作用区域诱导折射率提高，从而获得光学导波效应。然而，由于横向和轴向加工不对称，光波导的横截面呈现自然的椭圆形，从而无法支持单模导波传输。

狭缝整形正是解决该问题最为有效的技术手段之一。如图1所示，该方法通过在物镜上方放置一个衍射狭缝，进行横向直写，狭缝的方向平行于激光的直写方向，获得纵向与横向间平衡的光学分辨率。该方法目前被广泛运用于飞秒激光直写三维光波导。利用这种方法制备出的光波导具有圆形对称的截面，能够有效支持单模传输。

图1(a)飞秒激光狭缝整形直写的实验装置示意图; (b)传统方式聚焦直写的波导截面; (c)狭缝整形直写的波导截面

狭缝整形技术的原理NA，增加该方向上激光焦斑的尺寸，并拓宽激光作用区域的宽度。

2009 年，飞秒激光直写被应用于光量子芯片的制备与集成。利用重复频率为1 kHz、中心波长为800 nm、脉宽为120 fs 的飞秒激光进行狭缝整型直写，可在高纯度熔石英材料中成功制备出波导截面为圆形的定向耦合器，芯片插入损耗为3 dB。在制备过程中采用狭缝整形的方法可实现光束整形。利用该器件演示的双光子和三光子非经典干涉实验表明飞秒激光直写可以制备出高品质的量子信息器件。

将狭缝整形技术做进一步改进，可以高效制备出模场可控、偏振无关的透明材料内光波导。采用飞秒激光在透明材料中直写的光波导可分为两类：

1) 激光辐照后，被辐照区域的折射率增加，光被限制在辐照区域，该方法形成的波导被称为I类光波导;

2) 在更大通量的激光辐照后，激光辐照的区域相对其周围区域折射率降低，形成波导的包层，从而实现导光，这种波导被称为Ⅱ类光波导。

Ⅱ类光波导大多数在晶体或者ZABLAN玻璃中制备获得，一般而言，Ⅱ类光波导可通过两种方式实现：

1) 利用高NA物镜逐步点扫围成波导包层;

2) 利用低NA物镜在材料内部同一深度直写出两道平行的痕迹。

基于狭缝整形技术的飞秒直写为Ⅱ类光波导的制备提供了全新的高效解决途径。利用空间光调制器(SLM)加载有相位分布的闪耀光栅狭缝，当飞秒激光脉冲经过光栅后产生衍射强度分布，通过空间滤波将一级衍射光滤出，并通过物镜聚焦进行直写。将基于狭缝整形技术的飞秒直写与上述的第二种直写方式相结合，可以在材料中高速制备出四面合围的“口”字型环状光波导，且通过调节狭缝大小，能够实现波导的模场变换。

狭缝整形技术实现简单，操作灵活，缺点在于造成了较大的激光能量损失。此外，狭缝整形只能提供一维方向的整形，例如:狭缝沿yxOz平面的光斑形貌近似为圆形，而在yOz平面的光斑依然不对称。因此，整个焦点的光场分布在3D空间内依然不对称。

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时空聚焦技术

为了抑制宽场双光子荧光显微中的背景噪声，2005年Zhu 等提出时空聚焦技术，以实现宽场3D层析成像。时空聚焦技术的原理如下图所示。飞秒激光脉冲通过光栅对后形成具有空间色散的光束，为了补偿光栅对带来的负啁啾，需要对入射飞秒激光进行正啁啾补偿。随后，利用透镜聚焦具有空间色散的光束。在空域上，色散开的不同频谱成分通过聚焦物镜后，仅在焦平面上各频率分量同时到达，形成傅里叶变换极限的最短脉冲，而在焦平面外，脉冲在时域上被展宽。

图2 时空聚焦原理示意图

时空聚焦技术操控焦点附近的脉冲宽度和峰值功率的变化，能够极大程度地提升纵向分辨率，降低非线性效应，实现飞秒激光大尺度3D微纳加工。

图3Foturan玻璃中(a)传统聚焦和(b)时空聚焦焦点的截面显微图像; (c)利用时空聚焦系统在Foturan玻璃内部直写的中国馆结构

时空聚焦光场整形也被拓展至飞秒激光双光子3D打印中。基于时空聚焦技术的3D打印设备可以大幅拓展双光子聚合打印的最终尺寸，并且可实现打印精度与成型尺度的有效兼顾。利用飞秒激光束时空聚焦脉冲，能够有效操控激光焦点形态，从而控制双光子聚合区域的形状。仅通过调节飞秒激光入射功率，就能实现3D对称打印分辨率的连续可调。

最近，超快激光脉冲的时空域控制可以实现石英玻璃内部的无像差3D加工。通过色散元件对初始飞秒激光脉冲进行时域整形，使其获得巨大的啁啾量，脉冲宽度被展至数十皮秒。利用该激光脉冲进行石英玻璃中的直写，能够得到3D对称的改性区。

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贝塞尔光束整形

Durnin等于1987年提出了无衍射光的概念，这种光束的光强分布在横向上具有贝塞尔函数的分布特征，因此又被称为贝塞尔光束。理想的贝塞尔光束的能量是无穷大的，因此在自然界中是不存在的，在实验中通常利用轴棱锥将高斯光束转化为准贝塞尔光。与高斯光束相比，贝塞尔光束具有极长的焦深，近年来在生物成像和激光加工等领域引起了人们的广泛关注。

飞秒激光贝塞尔光束在制备高深径比的通道中具有很好的效果。如图4(a)所示，飞秒激光高斯光束通过轴棱锥镜后生成了贝塞尔-高斯光束，在沿轴传输过程中能够维持较长的传输距离和较好的光强稳定性。将这一光束聚焦于玻璃样品背面，仅通过高强度的单发飞秒脉冲就可以在玻璃样品中制备出直径在200~800 nm范围内且深径比超过100的纳米通道，如图4(b)所示。

图4(a)角锥棱镜产生的贝塞尔光束及其光强分布示意图; (b)使用贝塞尔光束在玻璃中制备高深径比的纳米通道SEM图像

贝塞尔光束虽然具有无衍射特性，但它具有较大比例的旁瓣。一般而言，一级旁瓣的强度约为中心光束的16%，这些旁瓣也会给样品带来不必要的损伤，特别是在加工吸收较强的材料时。此外，在生物成像中，旁瓣还会造成分辨率的降低。因此，如何抑制贝塞尔光束的旁瓣成为微纳加工和生物成像领域中的关键性问题。通过将光学相位板引入贝塞尔光束整形，能够在一定范围内有效抑制贝塞尔光束的旁瓣，在硅通孔(TSV)加工应用中取得较好的效果。

总结

综上所述，利用整形飞秒激光脉冲直写技术在不同介电材料内部实现了一系列3D功能微结构和复杂大尺寸结构。相比于传统的飞秒激光直写技术，基于整形飞秒激光脉冲的3D制备技术给人们带来了更多的实现可能和更丰富的可操控性，而本文仅展示了这种技术的一个层面。从应用角度而言，整形飞秒激光脉冲加工技术在微流控、光子集成、太赫兹光学、3D打印等方面均有望发挥及其重要的作用，解决关键性的科学问题。同时，新颖的光场操控手段和器件也在不断促进整形飞秒激光加工技术的发展。目前，该技术已经日趋成熟，逐渐具备从实验室走向实际应用的能力。可以预见，在未来的科学研究和工业应用中，基于整形飞秒激光脉冲的3D制备将成为激光精密微加工领域最重要、最前沿的技术手段之一，并推动智能制造向前发展。

作者：

乔玲玲1 , 储蔚 1, 2* , 王哲 1, 3 , 程亚 1, 2**

1中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室

2华东师范大学物理与材料科学学院极端光机电实验室

3上海科技大学物质科学与技术学院

乔玲玲,储蔚,王哲,程亚 基于整形飞秒激光脉冲的三维微纳制备(特邀综述)[J]. 光学学报，2019，39(1): 126012