飞秒激光：光纤功能器件制备的新型利器

在激光微加工过程中,器件微型化对其精度和分辨率也提出了更高的要求,这也促使激光微加工技术不断地向着微小尺度的应用深入发展。 

相比于传统的材料加工技术,飞秒激光利用锁模和啁啾放大技术将脉冲的时域宽度压缩到飞秒量级,将脉冲能量在数个飞秒内瞬间释放,因此具有很高的峰值功率。利用飞秒激光在不同种类材料中加工微纳结构时,可以有效避免热效应和冲击波效应对制备结构质量的影响,因而加工优势明显。 

此外,飞秒激光加工的光纤功能器件具有结构紧凑、尺寸小、易于复用集成的优势,目前已应用于传感、医学和生命科学等多个领域。 

飞秒激光直写技术
飞秒激光直写机理 

飞秒激光直写技术将输出激光聚焦到目标物的待加工区域,对其进行扫描,实现对部分区域的改性或者消除。 

飞秒激光脉冲聚焦在材料表面时,可通过诱导产生的高温高压等离子体的快速喷发制备出精细微纳结构,若飞秒激光聚焦在透明体材料内部时,产生的高温高压等离子体绝热膨胀会引发微爆而使材料发生改性。 

此外,飞秒激光脉冲具有超高的峰值功率,脉冲能量大,因此其加工的目标材料种类较多。

飞秒激光直写波导 

飞秒激光直写波导技术是基于飞秒激光诱导材料内部局域折射率产生变化,将飞秒激光聚焦到材料内部,通过计算机控制的三维平台移动样品,将所设计的结构刻写在材料内部形成光波导。 

目前,飞秒激光直写波导技术发展迅速,在直写波导的基础上,还能够实现对复杂波导功能器件如滤波器、耦合器等的制备,应用潜力巨大。

飞秒激光直写光栅 

在飞秒激光直写光栅技术出现之前,光纤光栅一般是利用相位掩模板制备而成,其工艺复杂、成本偏高,且温度稳定性不好,飞秒激光直写技术的出现为解决该问题提供了重要手段。 

利用飞秒激光的超高功率峰值可以在无需敏化的普通单模光中直接刻写光纤光栅。飞秒激光直写光栅时,先将聚焦激光沿光纤轴向扫描,诱导内部产生折射率调制,曝光移动一段距离,遮挡激光再移动相同距离,重复该过程,完成光纤内部的周期性折射率改变。 

该方法可以灵活地设计光栅的各种参数,无论是FBGs(fiber Bragg gratings)还是LPFBGs(long period fiber Bragg gratings),均无需对光纤进行载氢等光敏预处理。但该方法要求三维移动平台具有极高的精度,是实验室内研究光栅的有力手段。

光纤功能器件的飞秒激光双光子聚合制备
飞秒激光双光子聚合原理 

双光子聚合是在强光作用下材料同时吸收两个光子而引发的聚合过程。在很强的激发功率下,光子通量密度较高,在此条件下比较容易发生双光子吸收现象。而飞秒脉冲激光在很低的平均功率下具有较大的脉冲能量,因此聚焦后的飞秒脉冲激光与材料相互作用时,也很容易引发物质的双光子吸收。 

在不同领域中,集成器件对聚合物结构的形状和尺寸有着不同的要求,高分辨的结构是实现器件高度集成的必备条件。 

飞秒激光双光子聚合技术具有明显的阈值性,由于脉冲激光的强度在空间上呈高斯分布,即焦斑中心部分光强最大,越往外强度越小,所以聚合物材料只有在激光中心位置才能发生聚合,而聚合物材料的其他部分几乎不受影响,双光子聚合引发的光化学反应被局限在焦点周围极小的范围内。 

2001年,清华大学孙洪波等人发表成果,成功制作了“纳米牛”,如图2所示,标志着双光子聚合技术已经基本可以完成复杂的微纳三维结构设计与制备。“纳米牛”的尺寸基本与单个红细胞的尺寸类似,可以通过人体内最小尺寸的血管。 

双光子聚合技术在医学、药学等领域应用潜力巨大。除此之外,由于双光子聚合材料具有很好的生物兼容性,因此采用双光子聚合技术制备的微结构在生物医疗领域中有着重要的意义和价值。 

2016年,哈尔滨工业大学曲士良课题组李敏等人利用飞秒激光双光子聚合技术制备了一个反射式的开腔三光束FP 光纤折射率传感结构,如图3所示,实现了折射率和温度双参数的同时传感,有效的提高了液体折射率的测量准确度。

飞秒激光聚合制备光纤干涉仪 

光纤干涉仪具有尺寸小、质量轻、抗电磁干扰、一体性强等特点,在光通信、信息处理和传感中已被普遍使用。 

三维聚合物光学元件在高度集成的光子器件中有着重要的应用价值。利用双光子聚合技术在光纤末端面制备聚合物微结构可实现对输出光场的有效调制。 

该类光纤结构可以有效避免光电转换系统复杂的连接线等问题;飞秒激光聚合制备的光纤温度传感结构可突破光纤材料本身对温度不敏感的限制,利用聚合物材料对温度的高敏感性可将其灵敏度提高若干个数量级,并且可实现对多个参数的同时测量,还具有很好的耐酸、耐碱和机械稳定性,可以在恶劣的环境中使用。

飞秒激光聚合制备光纤光栅 

光纤光栅在滤波器、波分复用器、光纤激光器以及一些光纤传感器中应用普遍 

飞秒激光聚合制备光纤光栅时周期更容易调控、质轻柔软、具有优异的拉伸性能和较高的温度灵敏度,更加适合一些传感类的应用,聚合物光纤光栅的制备与应用成为近年来光学领域的研究热点。 

2018年深圳大学王义平课题组用飞秒激光诱导多光子聚合技术制备了新型悬浮的光纤布拉格光栅,这种全光纤聚合物布拉格光栅具有很高的温度敏感性、优异的机械强度和超高集成度。温度测量范围为24~40℃,这种温度感测元件将是生物温度测量的良好工具。

结论 

从“纳米牛”到各种三维微纳结构,再到纳米机器人以及各种光纤光栅、光纤传感器、微流体芯片等,飞秒激光加工技术逐渐实现了从机理研究过渡到应用研究,在生物医学、海洋探测、化工等多个领域应用普遍。 

如果将飞秒激光制备出的光纤功能器件嵌入微流体芯片和微结构中,不仅可以将光纤功能器件作为一个功能型光学元件服务于微全分析系统,还可以作为传感监测核心器件用于微全分析信息采集,如可以利用光纤传感器进行微流体温度、折射率、特定成分检测等,能够提供极高的检测灵敏度和极低的检测极限。 

将飞秒激光微纳加工技术、光纤传感技术与微流体芯片技术相结合能够拓宽微流体芯片系统的应用领域,使其不再局限于样品分离、检测等单一功能,成为真正的集成样品引入、混合、分离、检测等功能的微全分析系统。 

此外,还应探索更多可以用于微纳加工的可降解、生物兼容性较强的材料,优化制备参数,改进并完善器件性能,推动飞秒激光加工技术更快速的发展。