Opto-Electronic Advances
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南方科技大学机械与能源工程系徐少林教授团队开发出了一种新型三维多焦点激光直写技术，为玻璃表面三维微结构的制造提供了更高的自由度和制造效率。
第一作者：徐康
通信作者：徐少林
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研究背景
玻璃材料因其低成本及优异的机械和光学性能，被广泛应用于各类光学和光电子器件制造。其中，玻璃表面数微米至数百微米特征尺寸的线型凹凸阵列结构应用广泛，包括微柱透镜阵列、各种不同截面的微槽阵列等，常用于光场调制、微流控芯片流道、光模块连接器等领域。然而，由于玻璃的硬脆性和低导热性，制造大面积的多样化玻璃微槽结构仍然面临极大挑战，特别是实现微槽截面形状的高度可控制造。
超快激光加工作为一种新型非接触式减材制造方法，无工具耗材，平均成本较低，在玻璃表面微结构的加工方面逐渐扮演重要的角色。超快激光具有极高峰值功率密度和极短脉冲作用时间，材料加工后热影响小、缺陷少、精度高。然而，仅仅依靠单束激光直写烧蚀加工，很难满足截面轮廓完全可控的微结构加工需求，体现在加工效率和表面质量均较难达到应用端的需求。激光波前具有高调控自由度的特点，结合机械位移直写，能够进一步提升加工的自由度和多样性。因此，若能够结合光束整形技术，开发出一种灵活的激光加工技术，实现在玻璃表面高效高质量雕刻具有任意截面形状的玻璃微结构，将具有重要的学术研究和工业应用价值。
本文亮点
南方科技大学机械与能源工程系徐少林教授团队开发出了一种新型三维多焦点激光直写技术，为玻璃表面三维微结构的制造提供了更高的自由度和制造效率。如图1所示，研究人员通过基于透镜和光栅相位图叠加的光束整形技术，实现了三维空间的多焦点能量和位置的高度自由调控。其具有特定排布规律的多焦点通过并行直写在玻璃内部形成改质层，结合化学蚀刻剥离轮廓外材料，能够制造出轮廓高度可调的玻璃微结构。通过算法修正，克服了折射率引起的偏差和球面像差，以确保多焦点位置的精确性。如图2所示，研究人员通过随机化激光焦点的坐标来消除由于等距激光焦点排列造成的能量不均匀性，从而实现了更好地匹配目标轮廓。然后，将具有适当点间距的均匀激光焦点阵列在玻璃内部烧蚀改性，形成连通的裂纹，从而实现沿着修饰轮廓的高效蚀刻，制造出表面微结构，化学刻蚀作用可进一步获得更加平滑的表面。如图3所示，研究者展示了多种槽状阵列，其轮廓包括梯形、半圆形和三角形，表面粗糙度约为1.3 μm，深宽比高达3:1，深度可达300 μm，并测试了该技术制造光模块中光纤封装用玻璃支架的应用潜力。这种新开发的先进激光加工技术能够高效地在玻璃材料表面加工任意截面形状的微结构阵列，为光学和光电领域的各种微加工需求提供了一种可供选择的稳定制造方案。
该工作以“High-precision multi-focus laser sculpting of microstructured glass”为题发表在Opto-Electronic Advances（OEA, 光电进展）2024年第11期。
图1. 多焦点激光加工高效制造玻璃表面微结构阵列。（a）多焦点激光加工示意图；（b）多焦点光斑的光场强度仿真模拟结果；（c）多焦点激光材料改性结果的45°倾斜视图；（d）化学蚀刻后多焦点结果；（e）光学显微镜观察的激光加工后熔融石英表面凹槽横截面；（f）化学蚀刻后凹槽激光扫描共聚焦显微镜检测三维视图；（g）凹槽的扫描电镜45°倾斜视图，比例尺：100 μm。
图2. 随机化多焦点坐标提高多焦点的均匀性。包括多焦点示意图、相位图、快速傅里叶变换图像（显示圆形莫尔纹图案）、光强度场模拟和V形点阵的体内烧蚀，包括13个点（a）、21个点（b）和21个点并具备坐标随机性（c），比例尺：100 μm。
图3. 通过空间多焦点激光处理结合化学蚀刻实现的玻璃微槽的多样化截面轮廓，以及它们的各种应用。（a）熔融石英上的对称和不对称V形凹槽；（b）熔融石英上的弧形凹槽；（c）由熔融石英上的连续凹槽形成的圆柱透镜阵列；（d）用于光纤封装的硼硅玻璃上的梯形凹槽。
研究团队简介
南方科技大学机械与能源工程系徐少林教授带领的超快激光微纳制造实验室，以整形超快激光微纳制造为核心研究方向，涵盖了光束时空整形技术、光与材料相互作用机理、激光加工超表面、激光诱导纳米光栅、激光引导化学刻蚀等研究方向。团队包括博士后、科研助理、在读博士和硕士研究生等共计20余人。自2017年成立以来，已发表论文40余篇，包括Nature Communications, Optica, Laser & Photonics Reviews, Nano Letters, International Journal of Machine Tools and Manufacture, International Journal of Extreme Manufacturing, Advanced Functional Materials 等知名期刊。团队研究课题与大湾区高科技企业的需求密切联系，获得了工业界合作伙伴的大力支持。
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Opto-Electronic Advances (OEA，光电进展) 是一本同行评议的英文学术月刊，创刊于2018年3月，已被SCI、EI、Scopus、DOAJ、CA和ICI等数据库收录，影响因子15.3，位于JCR Q1区，中科院一区。由中国科学院主管，中国科学院光电技术研究所主办并出版，面向全球发行。OEA主要报道光电领域的前沿创新科研成果。期刊栏目包括原创论文、综述和快讯等，欢迎投稿！
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编辑 | 彭诗涵 张诗杰
审核 | 杨淇名
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