李金健１,劉一２,曲士良１

１哈爾濱工業大學物理學院

２哈爾濱工業大學(威海)理學院

在鐳射微加工過程中，器件微型化對其精度和解析度也提出了更高的要求，這也促使鐳射微加工技術不斷地向著微小尺度的應用深入發展。

相比於傳統的材料加工技術，飛秒鐳射利用鎖模和啁啾放大技術將脈衝的時域寬度壓縮到飛秒量級，將脈衝能量在數個飛秒內瞬間釋放，因此具有很高的峰值功率。利用飛秒鐳射在不同種類材料中加工微納結構時，可以有效避免熱效應和衝擊波效應對製備結構質量的影響，因而加工優勢明顯。

此外，飛秒鐳射加工的光纖功能器件具有結構緊湊、尺寸小、易於複用整合的優勢，目前已應用於感測、醫學和生命科學等多個領域。

飛秒鐳射直寫技術

飛秒鐳射直寫機理

飛秒鐳射直寫技術將輸出鐳射聚焦到目標物的待加工區域，對其進行掃描，實現對部分割槽域的改性或者消除。

飛秒鐳射脈衝聚焦在材料表面時，可透過誘導產生的高溫高壓等離子體的快速噴發製備出精細微納結構，若飛秒鐳射聚焦在透明體材料內部時，產生的高溫高壓等離子體絕熱膨脹會引發微爆而使材料發生改性。

此外，飛秒鐳射脈衝具有超高的峰值功率，脈衝能量大，因此其加工的目標材料種類較多。

飛秒鐳射直寫波導

飛秒鐳射直寫波導技術是基於飛秒鐳射誘導材料內部局域折射率產生變化，將飛秒鐳射聚焦到材料內部，透過計算機控制的三維平臺移動樣品，將所設計的結構刻寫在材料內部形成光波導。

目前，飛秒鐳射直寫波導技術發展迅速，在直寫波導的基礎上，還能夠實現對複雜波導功能器件如濾波器、耦合器等的製備，應用潛力巨大。

飛秒鐳射直寫光柵

在飛秒鐳射直寫光柵技術出現之前，光纖光柵一般是利用相位掩模板製備而成，其工藝複雜、成本偏高，且溫度穩定性不好，飛秒鐳射直寫技術的出現為解決該問題提供了重要手段。

利用飛秒鐳射的超高功率峰值可以在無需敏化的普通單模光中直接刻寫光纖光柵。飛秒鐳射直寫光柵時，先將聚焦鐳射沿光纖軸向掃描，誘導內部產生折射率調製，曝光移動一段距離，遮擋鐳射再移動相同距離，重複該過程，完成光纖內部的週期性折射率改變。

該方法可以靈活地設計光柵的各種引數，無論是FBGs(fiber Bragg gratings)還是LPFBGs(long period fiber Bragg gratings)，均無需對光纖進行載氫等光敏預處理。但該方法要求三維移動平臺具有極高的精度，是實驗室內研究光柵的有力手段。

圖1 在光纖纖芯製作的光柵結構

光纖功能器件的飛秒鐳射雙光子聚合製備

飛秒鐳射雙光子聚合原理

雙光子聚合是在強光作用下材料同時吸收兩個光子而引發的聚合過程。在很強的激發功率下，光子通量密度較高，在此條件下比較容易發生雙光子吸收現象。而飛秒脈衝鐳射在很低的平均功率下具有較大的脈衝能量，因此聚焦後的飛秒脈衝鐳射與材料相互作用時，也很容易引發物質的雙光子吸收。

在不同領域中，整合器件對聚合物結構的形狀和尺寸有著不同的要求，高分辨的結構是實現器件高度整合的必備條件。

飛秒鐳射雙光子聚合技術具有明顯的閾值性，由於脈衝鐳射的強度在空間上呈高斯分佈，即焦斑中心部分光強最大，越往外強度越小，所以聚合物材料只有在鐳射中心位置才能發生聚合，而聚合物材料的其他部分幾乎不受影響，雙光子聚合引發的光化學反應被侷限在焦點周圍極小的範圍內。

2001年，清華大學孫洪波等人發表成果，成功製作了“奈米牛”，如圖2所示，標誌著雙光子聚合技術已經基本可以完成複雜的微納三維結構設計與製備。“奈米牛”的尺寸基本與單個紅細胞的尺寸類似，可以透過人體內最小尺寸的血管。

（a）光柵模式; (b)向量模式

圖2 不同掃描方式下相同的微觀結構

雙光子聚合技術在醫學、藥學等領域應用潛力巨大。除此之外，由於雙光子聚合材料具有很好的生物相容性，因此採用雙光子聚合技術製備的微結構在生物醫療領域中有著重要的意義和價值。

2016年，哈爾濱工業大學曲士良課題組李敏等人利用飛秒鐳射雙光子聚合技術製備了一個反射式的開腔三光束FP 光纖折射率感測結構，如圖3所示，實現了折射率和溫度雙引數的同時感測，有效的提高了液體折射率的測量準確度。

圖3 “凱旋門”結構

飛秒鐳射聚合製備光纖干涉儀

光纖干涉儀具有尺寸小、質量輕、抗電磁干擾、一體性強等特點，在光通訊、資訊處理和感測中已被廣泛使用。

三維聚合物光學元件在高度整合的光子器件中有著重要的應用價值。利用雙光子聚合技術在光纖末端面製備聚合物微結構可實現對輸出光場的有效調製。

該類光纖結構可以有效避免光電轉換系統複雜的連線線等問題；飛秒鐳射聚合製備的光纖溫度感測結構可突破光纖材料本身對溫度不敏感的限制，利用聚合物材料對溫度的高敏感性可將其靈敏度提高若干個數量級，並且可實現對多個引數的同時測量，還具有很好的耐酸、耐鹼和機械穩定性，可以在惡劣的環境中使用。

飛秒鐳射聚合製備光纖光柵

光纖光柵在濾波器、波分複用器、光纖鐳射器以及一些光纖感測器中應用廣泛。

飛秒鐳射聚合製備光纖光柵時週期更容易調控、質輕柔軟、具有優異的拉伸效能和較高的溫度靈敏度，更加適合一些感測類的應用，聚合物光纖光柵的製備與應用成為近年來光學領域的研究熱點。

2018年深圳大學王義平課題組用飛秒鐳射誘導多光子聚合技術製備了新型懸浮的光纖布拉格光柵，這種全光纖聚合物布拉格光柵具有很高的溫度敏感性、優異的機械強度和超高整合度。溫度測量範圍為24~40℃，這種溫度感測元件將是生物溫度測量的良好工具。

結論

從“奈米牛”到各種三維微納結構，再到奈米機器人以及各種光纖光柵、光纖感測器、微流體晶片等，飛秒鐳射加工技術逐漸實現了從機理研究過渡到應用研究，在生物醫學、海洋探測、化工等多個領域應用廣泛。

如果將飛秒鐳射製備出的光纖功能器件嵌入微流體晶片和微結構中，不僅可以將光纖功能器件作為一個功能型光學元件服務於微全分析系統，還可以作為感測監測核心器件用於微全分析資訊採集，如可以利用光纖感測器進行微流體溫度、折射率、特定成分檢測等，能夠提供極高的檢測靈敏度和極低的檢測極限。

將飛秒鐳射微納加工技術、光纖感測技術與微流體晶片技術相結合能夠拓寬微流體晶片系統的應用領域，使其不再侷限於樣品分離、檢測等單一功能，成為真正的整合樣品引入、混合、分離、檢測等功能的微全分析系統。

此外，還應探索更多可以用於微納加工的可降解、生物相容性較強的材料，最佳化製備引數，改進並完善器件效能，推動飛秒鐳射加工技術更快速的發展。

本文改編自：李金健,劉一,曲士良.飛秒鐳射微納加工光纖功能器件研究進展[J].鐳射與光電子學進展，2020，57(11)：111402