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1.文章导读

飞秒激光直写具有在透明材料内部实现三维微纳加工的独特优势，现已成为光子学、微流控、三维打印等领域的重要制造技术。然而，由于常规飞秒高斯光束聚焦形成的椭球状焦场强度分布，使得其在透明材料内部难以实现高精度三维各向同性加工。尽管当前已有多种飞秒光场整形方法被相继提出，但这些方法在实际加工的灵活性与装置实现的简便性方面仍存在较大限制。近期，山东师范大学蔡阳健教授与华东师范大学程亚教授联合团队提出一种结合高速旋转狭缝的飞秒激光光束整形方法，成功突破传统限制，在玻璃材料内部实现了高精度三维各向同性刻写，并在SCI期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了题为“Femtosecond laser three-dimensional isotropic inscription in glass enabled by high-speed rotating slit beam shaping”的文章。山东师范大学谭远鑫为第一作者，徐剑教授、蔡阳健教授、程亚教授为共同通讯作者。

     

2. 图文解析

飞秒激光直写技术目前已广泛应用于透明材料内部三维微纳加工，但由于其椭球状的焦场强度分布，导致在材料内部加工时横向和纵向分辨率不对称，本征上限制了三维各向同性加工的精度。当前尽管已有多种光束整形技术提出来解决飞秒激光直写加工的横纵分辨率不对称的问题，但在高效率、高精度三维各向同性加工方面仍然存在较低的灵活性和较复杂的光路设计等不足。二十多年前问世的狭缝整形辅助飞秒激光直写是一项简便、灵活且低成本的光束整形技术，通过放置取向与激光直写方向相同的狭缝可降低聚焦光束在垂直于激光直写方向的数值孔径（增加该方向上的光斑尺寸），进而实现圆截面微结构的激光直写。但该技术的光束整形仅限于单一方向的调控，其产生的焦场强度分布在三维空间内仍然不对称，不利于高效率、高精度三维各向同性加工的实现。那如果让固定的狭缝转起来呢？是否有可能通过旋转狭缝并与激光直写结合起来在目标区域构建出三维球状光斑呢？带着这些疑问，研究团队开展了针对性的实验与仿真研究，提出一种基于高速旋转狭缝光束整形的飞秒激光三维各向同性加工方法。研究首先构建了基于旋转狭缝整形的飞秒激光焦场三维对称强度分布模型（见图1），并基于该模型在Eagle 2000玻璃和Foturan玻璃两种材料中验证了其三维各向同性加工能力（见图2）。同时研究了旋转狭缝整形实现三维各向同性加工过程中激光直写速度与旋转狭缝转速的适配关系，并对出现的周期性微结构的形成机理进行了相关分析（见图3）。结果表明，利用该方法可以简单且经济高效的方式在玻璃中构建出三维球状焦斑，进而可制造具有近圆形截面的直光波导、弯曲光波导和中空微通道（见图4和图5），有望为透明材料内部的三维高精度加工和三维各向同性微结构的高效制备提供新思路，在先进光子学、微机电系统、微流控等领域具有广泛的应用前景。

  图 1. 旋转狭缝光束整形简介。(a) 旋转狭缝整形的装置示意图。(b)旋转狭缝整形的实验测量图和数值模拟的焦场强度分布。(c) 、(d) 分别为常规飞秒激光直写、不同方向角的固定狭缝整形技术的聚焦前的光强分布（实验）及聚焦后的 三维焦场强度分布（仿真）。标尺：10 μm (b)  ， 2 mm (c，d)。

  图2. 旋转狭缝光束整形在玻璃材料内的三维各向同性加工结果。(a)、(b) 分别为Eagle 2000 玻璃内直写的线状及环状微结构。(c)、(d) 分别为Foturan内直写的线状及环状微结构。(e)、(f) 分别为Eagle 2000玻璃、Foturan玻璃内横截面的尺寸 / 圆度与激光能量的关系图。标尺： 20 μm。

  图3.激光直写速度与狭缝旋转速度的关系。(a)、(b) 分别为不同直写速度下Eagle 2000 玻璃、Foturan玻璃中加工的线状微结构；(c) 周期性微结构形成机理图；(d) Foturan玻璃内部周期性微结构的数值模拟结果；(e) Foturan玻璃中加工微结构的间距尺寸与狭缝转速、直写速度的关系（虚线为不产生周期性微结构的最小转速）。标尺： 20 μm。

  图4. 旋转狭缝光束整形辅助制备近圆形截面光波导（Eagle 2000 玻璃）。(a)、 (b) 、(c)分别为固定狭缝整形、旋转狭缝整形及常规飞秒激光直写加工的直波导截面光学显微图与模场分布测量结果。(d) 直波导插入损耗与脉冲能量的关系图。(e) 弯曲波导结构设计示意图。(f)、 (g)分别为旋转狭缝整形和常规飞秒激光直写加工的弯曲波导截面光学显微图与模场分布模拟结果；(h) 弯曲波导损耗与弯曲半径的关系图（插图为对应输出模场分布）。标尺： 10 μm。

  图5. 旋转狭缝光束整形辅助制备中空近圆截面微通道（Foturan玻璃）。(a)、 (b)分别为玻璃内部制备的三维五环结构和螺旋线微结构（示意图及光学显微图）。(c)旋转狭缝光束整形辅助飞秒激光化学蚀刻制备微通道的流程及光学显微图。 (d) 激光制作微通道图案的热处理（左）和化学蚀刻（右）后的光学显微图。标尺： 50 μm (a，b，d)，10 μm (c)。

3. 总结与展望

本研究提出了一种基于高速旋转狭缝光束整形实现高精度三维各向同性的新方法，并验证了其在Eagle 2000 玻璃和Foturan玻璃中产生三维对称的球状焦斑，进而制备光波导和中空微通道方面的能力；未来团队将继续探究该方法在其他透明材料中的加工分辨率极限与最优参数匹配规律，挖掘其在复杂三维微结构大规模高效、高精度制备中的潜力，以满足更广泛的制造需求。