在科技飛速發(fā)展的今天，微小而精密的光學元件——微透鏡，正廣泛應(yīng)用于激光光束整形、光纖通信、光學數(shù)據(jù)存儲等眾多領(lǐng)域。傳統(tǒng)制造技術(shù)在加工微透鏡時，面臨表面質(zhì)量差、工藝復雜等難題，這促使人們不斷探索更先進的制造方法。激光加工技術(shù)憑借其靈活性和高精度的優(yōu)勢，成為制造微透鏡的熱門選擇，其中飛秒和皮秒激光的應(yīng)用備受關(guān)注。最近立陶宛的物理科學與技術(shù)中心Laimis Zubauskas等人發(fā)表了《Comparative analysis of microlens array formation in fused silica glass by laser: Femtosecond versus picosecond pulses》的文章，針對飛秒和皮秒激光在制造微透鏡方面的表現(xiàn)進行了詳細的分析和對比。

圖1 （a）飛秒及皮秒激光加工光學元件示意圖；（b）CO2激光器光學元件拋光示意圖

該研究采用了EKSPLA的兩臺超快激光器進行光學元件加工如圖1（a），一臺皮秒激光器Atlantic 60(參數(shù)：1064 nm，60 W，10 ps，1 MHz)，另一臺為飛秒激光器FemotLux 30(參數(shù)：1030 nm，30 W，320 fs，4 MHz)，其中兩臺的激光器的加工頻率固定在400 kHz，通過光路中的電動鏡進行切換，兩臺激光器都是采用同一套振鏡，場鏡（f=100 mm）和運動平臺進行加工，通過該套加工系統(tǒng)后，皮秒的聚焦光斑尺寸為34 μm，瑞利長度852.9 μm，飛秒的聚焦光斑尺寸為31 μm，瑞利長度732.4 μm。另外兩臺激光器打在玻璃表面的最大能量密度皮秒為21 J/cm2，飛秒為12.6 J/cm2。圖1（b）后續(xù)通過一臺激光功率為80 W的CO2激光對加工的光學元件進行拋光處理。

在實驗中，研究人員精細調(diào)整激光的掃描速度和能量密度，通過測量去除材料層的厚度、表面粗糙度，觀察消融腔的形貌，來優(yōu)化加工過程。同時，利用光學輪廓儀、CCD 相機等設(shè)備，對微透鏡的各項性能進行精確評估。研究主要對比了以下三個部分：

原始玻璃單層去除

圖2 通過優(yōu)化參數(shù)使表面粗糙度降低到最低，（a）和（c）為飛秒處理的表面粗糙度表征圖，（b）和（d）為皮秒處理的表面粗糙度表征圖，其中（a）和（b）的掃描間距為5 μm，（c）和（d）的掃描間距為10 μm

圖3 不同掃描速度和能量密度下（a）飛秒激光器320 fs脈寬和（b）皮秒激光器10 ps脈寬的去除厚度對比

表1 飛秒與皮秒激光器達到最低粗糙度單層去除效果總結(jié)對比。激光器重復頻率400 kHz

在單層材料去除實驗中，飛秒激光展現(xiàn)出卓越的加工分辨率。它能將最小可去除材料層厚度控制在0.94 μm，相比之下，皮秒激光的這一數(shù)值高達 12.95 μm，是飛秒激光的近14倍。這得益于飛秒激光更高的峰值強度和更強的非線性吸收，使其能量能更集中地被材料吸收。在表面粗糙度方面，飛秒激光同樣表現(xiàn)出色，最低可達0.126 μm，而皮秒激光為0.594 μm，相差近4.7倍。而且，飛秒激光在較寬的掃描速度和能量密度范圍內(nèi)，都能保持較低的表面粗糙度，加工穩(wěn)定性明顯優(yōu)于皮秒激光。

玻璃粗糙化后單層及多層去除

圖4 預處理玻璃（粗糙化）后，飛秒和皮秒激光器不同掃描速度和能量密度的去除厚度對比

表2 飛秒和皮秒激光器去除最薄的單層厚度總結(jié)對比。激光器重復頻率400kHz

圖5 （a）實線為不同脈寬激光器在不同掃描次數(shù)下的去除多層膜的總厚度，虛線為不同脈寬激光器在不同掃描次數(shù)下的單層膜厚度；（b）實線為不同脈寬激光器在不同掃描次數(shù)下去除多層膜后的表面粗糙度，虛線為不同脈寬激光器在不同掃描次數(shù)下表面粗糙度與總?cè)コ�厚度的�?/p>

圖6 上圖為飛秒在1，64，256不同掃描次數(shù)下的表面粗糙度圖；下圖為皮秒在1，64，256不同掃描次數(shù)下的表面粗糙度圖

研究人員還發(fā)現(xiàn)，對玻璃表面進行預處理（粗糙化）能顯著降低激光的消融閾值。經(jīng)過粗糙化處理后，兩種激光都能去除更薄的材料層，飛秒激光甚至能達到0.046 μm的極薄厚度，幾乎無法用普通儀器測量。在多層材料去除實驗中，飛秒激光的加工穩(wěn)定性依舊突出，每一層去除的材料厚度都能穩(wěn)定保持在0.5 μm左右。而皮秒激光隨著加工層數(shù)增加，去除材料厚度逐漸增大，這是因為其能量在材料中穿透更深，產(chǎn)生的缺陷不斷積累，影響了加工效果。

微透鏡陣列制備

基于上述優(yōu)化的加工參數(shù)，研究人員分別用飛秒和皮秒激光制造了微透鏡陣列，并使用 CO₂激光對其進行拋光。

圖7 （a）飛秒制備微透鏡陣列的表面形貌圖；（b）皮秒制備的微透鏡陣列表面形貌圖；（c）飛秒及皮秒制備的微透鏡陣列截面圖

圖8 通過CO2激光拋光后，a)和b)分別為飛秒和皮秒加工的微透鏡表面形貌圖，c)為加工的實物圖

表3 不同脈寬激光器加工后，CO2激光拋光前后的對比總結(jié)

圖9 不同脈寬激光器制備的微透鏡陣列并進行CO2激光拋光后，通過對CCD觀察對二極管激光聚焦性能對比

以上結(jié)果顯示，飛秒激光制造的微透鏡在各項性能上更勝一籌。其表面粗糙度更低，透鏡之間的重復性更好，對激光束的聚焦效果更佳，聚焦光斑直徑比皮秒激光制造的微透鏡小很多，僅為11.28±0.79 μm（皮秒激光為51.25±6.92 μm），這意味著飛秒激光制造的微透鏡能更精準地控制激光束，減少光束散射。

總 結(jié)

這項研究表明，飛秒激光在制造微透鏡方面具有明顯優(yōu)勢，能實現(xiàn)更薄材料層的去除、更光滑的表面加工，制造出的微透鏡性能更優(yōu)。不過，皮秒激光在加工速度上有一定潛力，如果能結(jié)合兩者的優(yōu)勢，或許能為高質(zhì)量自由曲面光學元件的制造帶來新的突破。研究人員也計劃在未來探索這種混合加工技術(shù)，讓微透鏡制造技術(shù)更上一層樓，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力。

轉(zhuǎn)自：千鏈激光網(wǎng)

來源：光格科技

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