一、研究背景

單晶金剛石因其高硬度、高導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)等特性，在紫外（~225 nm）到太赫茲（THz）頻率，甚至微波區(qū)域（~8000 μm），具有低群速度色散和高透過率，廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、集成光子學(xué)器件 、精密光學(xué)元件組 、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域。金剛石表面微納結(jié)構(gòu)的高效率、高精度制備，成為制約金剛石功能器件商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

超快激光因其超高的峰值功率，可以精準(zhǔn)控制材料的光能吸收，具有加工精度高、熱效應(yīng)小、環(huán)境要求低等優(yōu)勢，是加工金剛石微結(jié)構(gòu)的理想工具。采用常規(guī)激光加工技術(shù)，可以在一定程度上加工出特定形狀的微結(jié)構(gòu)，但都無法實(shí)現(xiàn)快速高效制備，無法滿足工業(yè)化的要求。超快激光并行加工通過光場調(diào)控將單光束激光分成多光束，同時(shí)聚焦于材料表面或內(nèi)部完成加工過程，優(yōu)化精度的同時(shí)可大幅提高加工效率。

二、創(chuàng)新工作

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所趙全忠研究員課題組利用空間光調(diào)制器（SLM）對飛秒激光光束進(jìn)行5×5陣列分光，實(shí)現(xiàn)了圓柱、球形、金字塔、圓錐等三維陣列結(jié)構(gòu)的高精度、高效率加工。

單晶金剛石多焦點(diǎn)陣列超快激光并行加工實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。飛秒激光器發(fā)出的線偏振激光脈沖，經(jīng)SLM相位調(diào)制后被整形成5×5的陣列光束，然后通過4f系統(tǒng)和顯微物鏡聚焦于樣品表面用于加工。

圖1 超快激光多焦點(diǎn)并行加工實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

與3D打印技術(shù)相反，飛秒激光通過逐層刻蝕完成對單晶金剛石表面的三維雕刻。實(shí)驗(yàn)采用不同分層間距加工出的單體球狀結(jié)構(gòu)如圖2所示，隨著分層間距的減小，分層結(jié)構(gòu)逐漸退化，當(dāng)分層間距達(dá)到0.25 μm時(shí)，金剛石表面呈現(xiàn)出較的球狀形狀[圖2（c）]，其粗糙度低于0.16 μm。

圖2 不同分層間距加工的金剛石球狀微結(jié)構(gòu)SEM圖及激光共聚焦掃描三維圖

采用SLM整形的5×5多焦點(diǎn)光束陣列并行加工單晶金剛石，加工的陣列結(jié)構(gòu)包括圓柱、球狀、金字塔和圓錐，加工后的樣品俯視和斜視圖如圖3所示，加工出的單體尺寸在100 μm×100 μm左右，其中圓柱、金字塔和圓錐的深度尺寸為100 μm，球狀結(jié)構(gòu)的深度為25 μm。從圖中可以看出，盡管錐度是激光加工過程中不可避免的問題，然而該實(shí)驗(yàn)采用的多焦點(diǎn)激光并行加工出結(jié)構(gòu)中，單個(gè)圓柱頂部和底部的直徑差均保持在2 μm以內(nèi)。

圖3 多焦點(diǎn)光束在金剛石表面加工不同結(jié)構(gòu)陣列的SEM圖。（a）（e）（i）圓柱陣列；（b）（f）（j）球狀陣列；（c）（g）（k）金字塔形陣列；（d）（h）（l）圓錐陣列；（a）~（d）俯視圖；（e）~（h）50°斜視圖；（i）~（l）50°斜視局部放大圖

圖4為單晶金剛石超快激光加工前后的拉曼光譜，加工后的拉曼光譜圖中石墨G帶沒有明顯的變化，這表明超快激光加工并沒有改變單晶金剛石本身物性，這對刻蝕結(jié)構(gòu)的使用壽命和性能具有重要意義。

圖4 金剛石樣品不同區(qū)域的拉曼光譜分析。（a）拉曼光譜分析區(qū)域；（b）加工及未加工區(qū)域的拉曼光譜對比

三、總結(jié)與展望

本文采用5×5超快激光多焦點(diǎn)并行加工方法在金剛石表面成功制備出了圓柱、半球、金字塔和圓錐等周期性微結(jié)構(gòu)。加工的單個(gè)結(jié)構(gòu)寬度為5~100 μm，深度為10~100 μm，表面粗糙度保持在0.16 μm以下。后續(xù)超快激光并行加工單晶金剛石的工作主要聚焦于兩個(gè)方向：（1）縮小單體三維結(jié)構(gòu)的特征尺寸；（2）進(jìn)一步降低三維結(jié)構(gòu)的表面粗糙度。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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