飛秒激光微加工技術將成為新一代光電器件的製造技術

光通信的高速率、大容量和寬帶寬的發展方向,要求光電器件的高度集成化。而集成化的前提是光電器件的微型化。因此,光電器件的微型化是當前光通信領域研究的前沿和熱點。近年來,相比傳統的光電技術,飛秒激光微加工技術將成為新一代光電器件的製造技術。國內外學者在光波導的製備技術等諸多方麵進行了有益的探索,取得了很大的進展。

  (1) 光波導的製備 光波導易於和光纖通信係統耦合且損耗小,在頻域中呈現出豐富的傳輸特性,成為光纖器件的研究熱點。與離子注入法和熱擴散型離子交換法等目前常用的製作方法相比,飛秒激光製作波導在室溫環境下進行,過程簡單,波導結構在高溫時仍能保持良好的質量和穩定性。美國學者用飛秒激光製備的增益光波導長1 cm,可產生3 dB / cm的信號增益 。大阪大學的Watanabe W 等用85 fs、重複頻率1 kHz、單脈衝能量1.5μJ的鈦藍寶石激光製作的多模幹涉波導陣列 ,實現了高階模輸出。目前,利用計算機精密控製飛秒激光加工平台,可以在材料內部的任意位置製得任意形狀的二維、三維或單模光波導。

  (2) 光柵的製備 光柵在光通訊、色散補償、光纖傳感等領域中發揮著不可替代的作用。光產業的發展,對光柵提出了更高的要求: ①不同幾何形狀排列,如六角陣列光柵; ②在光纖內部刻劃,如Bragg (布拉格)光纖光柵。傳統加工方法工序繁雜、製作的光柵穩定性差、壽命短。而飛秒激光微加工克服了這些缺點,永久性改變折射率,改變量高達0.05 ,實現直接刻劃,順應了現代光柵微型化和多樣化的發展趨勢。Mihailov S等人采用鈦寶石飛秒激光在摻鍺通信光纖纖芯上獲得的反射Bragg光柵,具有折射率調製範圍廣,溫度穩定性高的特點 。

  (3) 光子晶體的製備 光子禁帶和光子局域是光子晶體的兩大特征,使其極有可能取代大多數傳統的光學產品。但是微米甚至亞微米級三維複雜光子晶體的製備技術是急需解決的關鍵問題。飛秒激光雙光子聚合法靈活,加工精度高,是製備光子晶體的理想選擇。Sun H B等人采用飛秒激光製出任意晶格的光子晶體,它能單獨地為單個原子選址 。Serbin J 等人采用飛秒激光雙光子聚合得到結構尺寸小於200 nm,周期為450 nm的三維微結構和光子晶體 。MarkusDeubel采用飛秒激光直接掃描法製出應用於無線電通信的三維光子晶體 。國內的戴起勳等製出杆、層間距均5μm,共4層,分辨率為1.1μm的層狀木堆型光子晶體(4) 光存儲 使用高分辨率存儲材料無疑會增加記錄密度,而采用超短激光進行亞微米級操作會得到更好的效果。飛秒激光多光子吸收作用引起材料的永久性光致還原現象,為超高密度三維立體光存儲提供了一個全新的思路,存儲密度可達~10^13 bits/ cm3 。其特點: ①快速的數據讀、寫、擦寫、重寫; ②並行數據隨機存取; ③相鄰數據位層間串擾小; ④存儲介質成本低。飛秒激光三維立體光存儲技術成為當前海量存儲技術發展的一個新研究方向。

  (5) 微通道的製備 聚合物力學性能好,具有生物相容性,而且飛秒激光光束幾乎可以毫無衰減地到達透明材料內部的聚焦點,入射激光唯有在該點位置才能獲得較高的功率密度,發生非線性多光子吸收和電離,實現材料內任意部位三維微結構的直寫。采用150 fs鈦藍寶石脈衝激光在聚甲基丙烯酸甲脂( Poly-methylMethacrylate:PMMA)內製備出最小直徑2μm、最長達10 mm的微通道,道壁光滑且沒有裂紋,沒有損壞透明材料表麵,這種微通道將廣泛用於生物醫學技術如DNA拉伸、微統計分析係統等。 

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