精彩论文 | 飞秒激光深加工制备仿生蓝宝石增透窗口

论文导读

      硬脆材料仿生微纳结构在微光学、微流体、超浸润功能表面等领域具有重要的应用。如何实现硬脆材料仿生微纳结构，特别是高深宽比微纳结构的高精度可控制备是长期存在的难题。2022年1月21日，吉林大学张永来教授、陈岐岱教授、以及清华大学孙洪波教授团队在 PhotoniX 在线发表论文“Biomimetic sapphire windows enabled by inside-out femtosecond laser deep-scribing”。合作单位还包括澳大利亚的斯威本科技大学。文中提出了一种结合化学腐蚀的飞秒激光深加工技术，通过引入牺牲层保护策略，解决了由内而外飞秒激光深加工过程中表面损伤与内部损伤的竞争问题，为硬脆材料表面高深宽比仿生微纳结构的制备提供了新思路。作为验证，文中设计并基于该技术研制了仿蛾眼蓝宝石红外增透窗口，实现了中红外宽波段透过率的显著提升。研究表明本文提出的牺牲层辅助的飞秒激光深加工技术是一种有效的、通用的技术，为制备硬脆材料特种微纳光学器件提供了广阔的前景。 

研究背景

      飞秒激光微加工由于具有精度高、可加工材料范围广、可三维加工等优势，在微光学、微流体、超浸润功能表面和仿生微机器人等领域三维微/纳米结构制造中具有广泛的应用。然而，为了实现三维加工，飞秒激光微加工必须进行逐点多层扫描。在高能量激光烧蚀的情况下，多层扫描过程中会产生大量的碎屑和颗粒，造成了光的散射和遮挡，阻碍了后续的可控深加工。因此，高能量激光烧蚀通常会对固体表面造成严重的损伤，导致存在加工的精度低、结构表面质量差的问题。在高分辨率高深宽比微纳结构的加工时，以上问题更是不可忽略的。

      为了精确控制超硬材料(如蓝宝石、金刚石等)的表面形貌，刻蚀辅助飞秒激光改性加工复合技术被证明是解决以上问题的有效方法。蚀刻辅助激光加工技术不需要进行强激光烧蚀加工，类似于光刻技术，利用飞秒激光实现三维微纳结构的改性（曝光），随后采用干法或湿法刻蚀技术实现改性材料的去除（显影）。基于此，采用由内到外的飞秒激光加工技术可以实现三维微结构的精密制造，例如复杂的微流控通道网络。然而，在面向超硬材料的飞秒激光微纳加工过程中，由于内部损伤阈值总是大于固-气界面处的损伤阈值，当激光扫描路径接近表面时，不可控的表面损伤通常是不可避免的，如图1（a）所示。表面损伤后产生的微纳结构又会对后续的激光产生散射和遮挡，导致在近表面区域通常会存在一定厚度的未改性区域（如图1（b）所示），这一区域会阻碍后续腐蚀的进一步进行，影响深纵宽比结构的成型。如果采用高能量激光扫描会导致难以对表面形貌和加工精度进行精确控制。这极大地限制了飞秒激光在精细仿生微纳结构制备中的应用。

技术突破

      在本工作中，我们提出了一种由内到外近阈值飞秒激光深加工技术。为了有效地避免表面和内部的损伤竞争问题，引入合理厚度的硅氧化物(SiO2)层作为表面牺牲层，将未改性区落入牺牲层中，抑制对拟加工材料表面的不可控损伤，在后续的选择性去除中将牺牲层和激光改性区去除，以实现高质量和高深宽比微纳结构的制备（如图1（c）所示）。受蛾眼红外减反射特性的启发（如图2（a-c）所示），我们设计并制作了双面亚波长金字塔结构阵列的蓝宝石红外增透窗口（如图2（e-g）所示），在4微米处，其红外透过率高达98%（如图2（h）所示），在中红外宽波段范围内（3-5微米）透过率均高于95%。而且实现了入射角0到70度范围内（4微米处）透过率高于95%（如图2（i）所示）。 

观点评述

      牺牲层辅助的飞秒激光深加工技术为硬脆材料高深宽微纳结构的高质量高精度加工提供了技术方案。以膜层制备工艺简单、后续易去除为原则，针对不同的拟加工材料可选择不同的牺牲层。因此该技术是一种面向硬脆材料深加工的通用技术。文中设计并制备了仿蛾眼蓝宝石红外增透窗口，显著提升了其中红外增透性能。以结构折射率渐变代替传统的镀膜增透技术，为面向实际苛刻环境中的长期应用提供了有效的解决方案。

主要作者

      刘学青，吉林大学电子科学与工程学院副教授。主要从事超快激光精密加工技术研发及其在硬脆材料特种光电器件制备中的应用研究，近年来发表相关SCI论文30余篇，其中以第一作者身份发表Laser Photonics Rev., Adv. Funct. Mater.，PhotoniX 等高水平论文11篇，被引用800余次。主持和参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目5项。担任Micormachines杂志Guest Editor, 受邀为Photonics Rev., Opt. Lett.等国际期刊审稿人。

      张永来，吉林大学电子科学与工程学院教授，博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，主要研究方向为激光仿生制造。共计发表第一作者、通讯作者 SCI 论文 120篇，个人 H 因子为 45。近五年，在 Natl. Sci. Rev., Adv. Mater., Laser Photon. Rev.等重要学术期刊发表中科院一区 SCI 论文 36 篇，研究成果被Nature杂志Highlight专题报道、美国光学学会(OSA)、 美国机械工程师学会(ASME)、中华人民共和国科学技术部官方网站等专题报道 23 次。《中国激光》杂志社青年编委，《国家科学评论》杂志青年编委。研究成果获2020年国家自然科学二等奖（排名第三）。目前主持国家自然科学基金重点项目。

      陈岐岱，吉林大学电子学院教授，集成光电子学国家重点实验室吉林大学实验区主任。长期从事激光与光电子学研究，近年来聚焦于飞秒激光加工关键技术难题，提出了相干光场调控和干法刻蚀外场辅助等创新思想，为超快激光加工器件功能化、效率和精度提升做出了创新贡献；形成了具有自主知识产权的超快激光微纳加工技术和装备体系，满足了基础研究和国防高技术领域若干紧迫需求。围绕上述工作，在Nature Communications、Light: Science & Application及Advanced Materials等领域一流杂志发表第一或通信作者论文82篇，论文被SCI论文他引8500余次，H-index 54，相关论文被Laser Focus World 等著名科学期刊和学术媒体专题报道（Highlight）32篇次。获国家自然科学二等奖、吉林省和教育部自然科学一等奖各一次。主持完成国家重点研发项目和国家自然科学基金重点项目；2018年获国家自然科学基金杰出青年基金项目支持。

      孙洪波，清华大学教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授，中国光学学会微纳光学专业委员会主任，国务院学位委员会学科评议组成员。入选电气电子工程师（IEEE）学会Fellow、国际光学工程学会（SPIE）Fellow、美国光学学会（OSA）Fellow，中国光学学会（COS）Fellow；任Light Science &Applications杂志执行主编（EEIC）、Optics Letters等十余个国内外杂志编委或顾问编委。研究方向为超快激光超精细特种制造。研究超快激光与物质相互作用机理，制备微光学、微电子、微机械、微流控、微光电、传感、生物和仿生结构与器件；开拓超快光谱研究方法，探索前沿光电和电光转换动力学。系列工作为我国国防与工业紧迫需求提供关键技术与解决方案。围绕上述研究内容，发表SCI论文500余篇，被SCI论文引用20000余次，H因子72；研究结果被Nature、Science和Laser Focus World 等杂志专题介绍100余篇次，150余次做国际会议Plenary、Keynote和Invited报告。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。

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