一、研究背景

單晶金剛石因其高硬度、高導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、集成光子學器件 、精密光學元件組 、微機電系統(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)化精度的同時可大幅提高加工效率。

二、創(chuàng)新工作

中國科學院上海光學精密機械研究所趙全忠研究員課題組利用空間光調(diào)制器（SLM）對飛秒激光光束進行5×5陣列分光，實現(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。

單晶金剛石多焦點陣列超快激光并行加工實驗裝置如圖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 超快激光多焦點并行加工實驗裝置示意圖

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。實驗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，當分層間距達到0.25 μm時，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，然而該實驗采用的多焦點激光并行加工出結(jié)構(gòu)中，單個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方向：（1）縮小單體三維結(jié)構(gòu)的特征尺寸；（2）進一步降低三維結(jié)構(gòu)的表面粗糙度。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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