基于飛秒激光的光纖三維微結(jié)構(gòu)制備研究

周廣福，戴玉堂，胡華東，李 濤，曹 靳

(武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070)

1 引言

光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕，易于實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)檢測(cè)和遠(yuǎn)距離測(cè)量等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已在許多大型工程安全監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。近來隨著各類新型光纖傳感器的研發(fā)，越來越多地要求對(duì)光纖端面或側(cè)面進(jìn)行三維微結(jié)構(gòu)加工。對(duì)于單模光纖精密加工而言，飛秒激光和深紫外激光是兩種難得的加工工具［1］。其中，飛秒激光具有峰值功率高、熱影響區(qū)小、加工精度高、能實(shí)現(xiàn)幾乎所有材料的燒蝕加工等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊。飛秒激光除用于加工金屬［2］、聚合物［3］、陶瓷［4］等材料外，能實(shí)現(xiàn)透明材料［5］的微加工使其獨(dú)具特色。基于這一特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者試圖通過在光纖上加工微孔［5］、微腔［6］、微通道［7］和長(zhǎng)周期光柵［8］等微結(jié)構(gòu)以開發(fā)各類新型光纖傳感器。到目前為止，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在光纖上刻蝕F－P干涉儀［9］、馬赫－曾德爾干涉儀［10］等。但是，上述研究?jī)H著眼于光學(xué)現(xiàn)象，對(duì)微結(jié)構(gòu)的制備工藝還很不成熟。

本文針對(duì)光纖器件加工的需要，綜合計(jì)算了光纖的飛秒激光刻蝕閾值和光斑大小，理論分析了產(chǎn)生光斑大小差異的原因。重點(diǎn)探討了垂直度較好的微孔成形機(jī)制，以把握加工該類直孔的工藝參數(shù)與工藝措施，為F－P腔及長(zhǎng)周期光柵的制備提供技術(shù)支撐。還分析了飛秒激光燒蝕過程中微孔形貌的形成機(jī)理，并在單模光纖上試制了F－P腔、端部懸臂梁等三維微結(jié)構(gòu)。

2 飛秒激光微加工系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用日本Cyber Laser公司生產(chǎn)的飛秒激光微加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的激光波長(zhǎng)為780 nm，處于近紅外短波區(qū)域，脈寬為180 fs，重復(fù)頻率為1 kHz，最大平均輸出功率為1．1 W。該激光加工機(jī)可實(shí)現(xiàn)脈寬可調(diào)功能、重復(fù)頻率可調(diào)功能，還配有自動(dòng)功率穩(wěn)定系統(tǒng)，保障能量長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)。激光束從激光器發(fā)出后，經(jīng)過反射鏡、衰減鏡、光闌，最后通過消色差物鏡到達(dá)被加工物表面。工件被固定在定位精度X1μm×Y1μm×Z0．5μm的三維工作臺(tái)上，通過計(jì)算機(jī)可控制工作臺(tái)的精密移動(dòng)，還可通過CCD圖像實(shí)時(shí)觀察飛秒激光的加工過程。光路中的衰減裝置設(shè)有三個(gè)衰減窗口，通過不同的衰減鏡片實(shí)現(xiàn)100%，12%和2%的能量衰減率，以調(diào)節(jié)加工所需要的能量大小。光闌可以濾去光束邊緣的雜光，進(jìn)而調(diào)節(jié)光束質(zhì)量。激光加工過程可以通過數(shù)控編程來完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 激光光斑的理論計(jì)算

飛秒激光經(jīng)物鏡，聚焦在工件的表面，物鏡的數(shù)值孔徑大小與高斯光束直徑的大小將影響激光聚焦光斑的強(qiáng)度，尤其是中心強(qiáng)度。NA為聚焦透鏡的數(shù)值孔徑，它直接影響焦深、光斑大小等激光參數(shù)。光斑尺寸與焦深的關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 光斑尺寸與焦深的關(guān)系示意圖Fig．1 schematic diagram of beam and focal depth

數(shù)值孔徑NA與光斑尺寸w0等參數(shù)符合下列關(guān)系式:

其中，D為激光束直徑;f為物鏡的焦距;θ為匯聚側(cè)的會(huì)聚焦(半角)。焦深ΔZ的計(jì)算式則為:

理論上光束在焦平面上的光斑尺寸是最小的，但實(shí)際上，光束在焦平面上下一定范圍內(nèi)，光斑大小的變化不明顯，此段范圍稱作焦深。經(jīng)計(jì)算，w0=22 μm，ΔZ=293 μm。

3．2 激光光斑實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值的差異分析

在實(shí)驗(yàn)中分別采用50 mW，100 mW，155 mW，200 mW，255mW，310mW，360mW，400mW 的激光能量，在單模光纖側(cè)表面上打孔。利用超景深三維顯微系統(tǒng)測(cè)量微孔的直徑，求同樣能量下加工的多個(gè)微孔直徑的平均值。能量密度與燒蝕孔直徑的平方的關(guān)系如圖2所示。

圖2 微孔直徑與能量密度的關(guān)系Fig．2 relationship between micropore diameter and fluence

根據(jù)文獻(xiàn)［11］提供的公式，可以得到光斑直徑的實(shí)驗(yàn)計(jì)算值和光纖的燒蝕閾值:

經(jīng)計(jì)算，光斑的直徑為26μm，光纖的燒蝕閾值為1．5 J/cm2。將石英玻璃基片作為加工對(duì)象，在同一參數(shù)條件下加工，得到的光斑的大小為25μm。光斑大小與理論計(jì)算值有一定的差異，這主要有兩方面的原因。

一方面，按照理論分析激光與物體相互作用時(shí)，光束與工件的接觸面是平面，在焦平面附近光斑的大小變化可以忽略不計(jì)。當(dāng)激光與光纖作用時(shí)，其接觸面是曲面，如圖3所示。此外，激光與工件作用面的選取，對(duì)光斑大小的計(jì)算影響較大。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，焦平面并不是工件表面最清晰的位置，而是在這個(gè)基礎(chǔ)上向下移動(dòng)60μm處，即B處是加工工件的焦平面。加工光纖時(shí)，激光在C點(diǎn)與工件作用，而加工基片時(shí)，激光在B點(diǎn)與工件作用，所以計(jì)算值與理論值有一定的差異。

另一方面，計(jì)算過程中盡管考慮到了光束在傳播過程中的損失，并利用專業(yè)軟件計(jì)算出實(shí)際加工能量，但是計(jì)算所用的能量還是比實(shí)際能量高。我們采用的光束半徑是光束橫截面上振幅下降為光束中央振幅的1/e時(shí)，觀測(cè)位置到光束中央的距離為基橫模高斯光束的半徑。根據(jù)物理數(shù)學(xué)理論，光束半徑內(nèi)的功率和整個(gè)光束功率之比R可以根據(jù)式(6)和式(7)計(jì)算。實(shí)際激光的功率密度分布為:

經(jīng)計(jì)算，R=0．865，也就是說，基橫模高斯光束半徑w(z)內(nèi)的功率約占光束總功率的86．5%。所以實(shí)驗(yàn)值與理論值存在一定的差異。

圖3 光纖和石英基片的激光加工示意圖Fig．3 schematic diagram of optical fiber and silicon micromachining

3．3 燒蝕光纖深度與能量的關(guān)系

在實(shí)驗(yàn)中分別采用55 mW，66 mW，77 mW，88 mW，99 mW，110 mW的激光能量在光纖上打孔，之后利用機(jī)械力沿微孔中心將其折斷，經(jīng)超聲清洗后，用光學(xué)顯微鏡測(cè)量其深度。圖4示出了不同能量加工后微孔斷面掃描電鏡照片。微孔深度與能量密度的關(guān)系如圖5所示。

圖4 不同能量加工光纖的SEM圖Fig．4 SEM of fiber cross-section under different energy

圖5 微孔深度與能量密度的關(guān)系Fig．5 relationship between micropore depth and fluence

根據(jù)文獻(xiàn)［11］中的公式，飛秒激光燒蝕孔的深度h與和光吸收長(zhǎng)度能量1/α，材料的燒蝕閾值Fth。

密度Fa的關(guān)系為:

從圖5中可以看到深度與能量對(duì)數(shù)符合線性關(guān)系，將計(jì)算出的光斑大小與光纖的燒蝕閾值帶入公式(8)，計(jì)算出光吸收長(zhǎng)度為553 nm。

3．4 光纖直孔形成機(jī)制與實(shí)驗(yàn)

高斯光束分布特點(diǎn)是峰值功率高，而在徑向上，強(qiáng)度不斷的減小。在加工過程中，距焦平面越遠(yuǎn)，能量分布越分散。在焦平面附近，可以認(rèn)為能量保持不變。經(jīng)計(jì)算焦深 ΔZ=293μm(光纖直徑為125μm)，這就為加工直孔提供了理論依據(jù)。

在加工過程中，當(dāng)選取的能量較小時(shí)，沿光束方向的能量密度隨加工深度的增加而減小，另外碎屑的堆積也妨礙了激光的刻蝕，當(dāng)激光作用在孔深部時(shí)，徑向的能量密度小于光纖的燒蝕閾值，所以孔的錐度越來越大。當(dāng)選取的能量足夠大時(shí)，在125μm內(nèi)能量沿光束方向和徑向能量密度變化不大，所以能加工出垂直度良好的直孔。加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上推理。較小能量和較大能量燒蝕加工時(shí)，光纖錐孔和直孔的SEM照片如圖6所示。垂直度良好的直孔加工方法，有望用于制備長(zhǎng)周期光纖光柵或光纖生物傳感探頭等，為新型光纖傳感器的開發(fā)提供了一種有效的工藝手段。

3．5 光纖燒蝕的形貌分析

在加工過程中，無(wú)論錐孔，還是垂直度比較好的孔的內(nèi)部形貌有很大的相似性，在激光入射口處內(nèi)壁出現(xiàn)了球狀的小顆粒，孔的深部表面十分光滑，但是背面存在明顯的崩碎，如圖6所示。

圖6 飛秒激光加工的錐孔和直孔Fig．6 conical and straight hole by femtosecond laser

圖7 微孔的端口及內(nèi)部形貌Fig．7 external and internalmorphology ofmicropore

在微孔的邊緣可以觀察到碎屑的再沉積現(xiàn)象，且有少量的材料融化痕跡，如圖7(a)所示。顯然熱影響是其主要原因。從圖7(b)、圖7(c)可以看到，在微孔入口周圍存在微小的球狀顆粒，略向內(nèi)還有明顯的沉積物質(zhì)，但微孔深部相對(duì)比較光滑，只有極少量的雜質(zhì)附著。形成這種形貌的主要原因是，光纖表面在極高能量密度作用下，表面的物質(zhì)直接氣化，隨著刻蝕深度的增加，在光纖表面局部形成巨大的蒸汽壓力，使液態(tài)光纖材料的溫度超過液－汽平衡時(shí)的溫度，從而進(jìn)入過熱狀態(tài)。而光纖表面的物質(zhì)會(huì)不斷的向平衡狀態(tài)靠攏，導(dǎo)致液體內(nèi)部壓力不斷增加，材料就會(huì)以液體和蒸汽液滴的形式噴出，所以產(chǎn)生了熔化現(xiàn)象［12］。隨著孔深不斷增加，孔內(nèi)材料在高溫高壓的作用下，產(chǎn)生大量的等離子體。由于受到空間的限制，等離子體有向外逃逸的傾向，在上升過程中由于溫度壓力的驟降，迅速冷凝，形成微細(xì)的球狀小顆?；芈湓陂_口邊緣處。而且球狀顆粒分布比較均勻，形狀比較規(guī)則，除了少量的雜屑外，并沒有對(duì)周圍材料產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷。

在光纖背面可以看到明顯的崩碎現(xiàn)象(如圖6所示)，其原因在于激光束的發(fā)散光在光纖包層中的自聚焦以及微孔貫穿前的高壓沖擊。隨著孔深逐漸增大，孔內(nèi)的殘留物逐漸堆積，激光在傳輸過程中產(chǎn)生發(fā)散，發(fā)散的激光在孔壁上發(fā)生反射、透射并經(jīng)光纖包層側(cè)表面再反射，部分向下聚焦于光纖的背面，自聚焦的光束與垂直向下的透射光束復(fù)合作用，會(huì)使光纖背面提前產(chǎn)生燒蝕。隨著孔深接近光纖背面，小孔貫穿前的剩余薄層受到等離子體高溫高壓的沖擊，剩余薄層連帶周圍材料瞬間崩碎，在光纖背面微孔出口周圍形成不完整的孔形。

4 針對(duì)光纖器件的三維微結(jié)構(gòu)制備

以單模光纖為加工對(duì)象，進(jìn)行了一些光纖三維微結(jié)構(gòu)的加工試驗(yàn)。首先，針對(duì)一種典型的光纖微結(jié)構(gòu)F－P腔進(jìn)行了試制。采用的激光刻蝕條件為:光闌為5，能量為200 mW，脈沖頻率為1 kHz。首先用 1 mm/min速度進(jìn)行粗加工，再采用0．05 mm/min的速度對(duì)F－P腔精加工。加工后腔內(nèi)的殘留物采用濃度2%的HF去除。圖8示出了軸向長(zhǎng)度為120μm的F－P腔SEM照片。微腔壁面平整，開口形狀整齊規(guī)則，測(cè)得的腔壁垂直度可達(dá)87°。這種光纖F－P腔可以用作溫度或壓力傳感器的探頭結(jié)構(gòu)。

圖8 飛秒激光刻蝕的光纖F－P腔Fig．8 F － P cavity etched by femtosecond laser

其次，嘗試了在單模光纖的端部制備懸臂梁結(jié)構(gòu)。先用光纖切割刀將光纖端面切平，再將光纖固定在工作臺(tái)上。采用的激光刻蝕條件:光闌直徑5 mm，能量 300 mW，脈沖頻率 1 kHz。首先采用1 mm/min的速度加工懸臂梁的兩個(gè)壁面，再將其翻轉(zhuǎn)90°采用相同的速度加工另外兩個(gè)壁面。加工后壁面上的殘留物采用濃度2%的HF酸去除。圖9示出了110μm×40μm×40μm的懸臂梁的SEM照片。圖中可以發(fā)現(xiàn)懸臂梁的根部比較粗糙，這是由于翻轉(zhuǎn)造成的，工藝上有待進(jìn)一步優(yōu)化。如在懸臂梁壁面上鍍上生物敏感材料，有望用作生物傳感器的敏感探頭。

圖9 飛秒激光加工的光纖端部懸臂結(jié)構(gòu)Fig．9 cantilever structuremachined by femtosecond laser

5 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖的燒蝕閾值約為1．5 J/cm2;燒蝕孔的深度與能量對(duì)數(shù)基本上符合線性關(guān)系;脈寬為180 fs時(shí)，光纖的吸收系數(shù)約為553 nm。

(2)理論分析了錐孔和垂直度較好的直孔的成形機(jī)理，探討了微孔內(nèi)壁形貌的形成機(jī)制和加工過程中光纖背面出現(xiàn)的崩碎現(xiàn)象。

(3)飛秒激光刻蝕工藝適合在光纖上制備各種三維微結(jié)構(gòu)，將為新型光纖傳感器件的制備提供一種新的工藝手段。

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