引言

目前，以电子为载体的半导体技术发展已趋物理极限，同时半导体器件尺寸的进一步减小会带来功耗过大等问题。针对上述问题，以光子为载体的信息技术凭借快速响应时间、高信息容量、强并行处理能力以及低功耗等优势脱颖而出。随着研究人员的不断努力，光学器件的材料性能、加工工艺以及光学调制的能力都得到了大幅度的提高。然而，传统光学器件一般尺寸较大，故由其组成的光学系统十分笨重，灵活性差，极大地增大了光学系统的集成难度。微光学理论的发展使得光学器件的集成成为可能，多种尺度上的光学器件均展现出了不亚于传统光学器件的性能，这极大地促进了光学系统的微型化发展，同时也对加工精度提出了更高的要求。

1.仿真接口与研究步骤

仿真使用几何光学接口跟踪激光光束的轨迹，并使用固定的热光面和固定的光束线界面模拟透镜的热膨胀，温度分布通过双向耦合相互作用，即光束线直接或通过产生的结构变形影响温度场，本文采用特殊的热辐射界面和双向光线跟踪研究步骤来求解光束的路径，并在双向光线跟踪研究中建立求解器循环， 光线路径和在不同步骤中执行迭代计算的温度每个迭代的结果都用于为以下迭代中未解决的变量指定值，也可以通过在求解器序列中手动添加for节点和end节点来设置此迭代周期，这些节点通过双向光线跟踪研究自动添加到求解器序列中。

2.飞秒激光直写加工

飞秒激光直写加工三维微结构通常有两种方法：一种是三维平台的移动，另一种是一维移动平台结合振镜的平面扫描实现三维运动。在第二种情况下，振镜会与移动平台之间相互配合，振镜每加工完一层，移动平台就会移动一段距离，振镜再接着加工下一层，如此往复。两种方法各有优势，研究人员可以根据自己的需求选择合适的加工方法。第一种方法的问题是加工速度慢，因为振镜的响应速度远比移动平台快，所以对于同样的结构第二种方法的加工速度要远远快于第一种。第二种方法的问题是加工面积小，因为振镜的二维加工是通过光束的偏转来实现平面扫描的，在此过程中焦点的形貌会出现畸变，且焦点偏离中心点的距离越大，畸变越大。而三维移动平台的加工则不会出现这种原理性的误差，所以第一种方法的加工范围更大。

3.刻蚀辅助激光改性加工

激光诱导背部湿法刻蚀技术能够实现多种材料的高质量加工，但由于加工工艺的局限性，在三维微纳结构制备方面遇到了很大的问题，而且表面平滑度仍然难以满足光学器件的要求。刻蚀辅助激光改性加工技术可有效解决这些问题。刻蚀辅助激光改性加工技术是一种激光诱导材料改性与化学腐蚀选择性去除相结合的加工技术。其基本原理为：在合适的激光参数条件下，当激光辐照材料时，受到辐照的区域晶格结构发生改变，产生刻蚀速率差，再将样品放入腐蚀液中刻蚀，完成结构的制备。基于腐蚀液体能否和样品材料本体发生反应，又能将刻蚀辅助激光改性加工分为两种。一种是材料本身和改性区域都会与腐蚀液体进行反应。但因为反应速率不同，能够进行选择性刻蚀，同时腐蚀液体能够去除加工过程中的碎屑，起到平滑表面的作用，实现高效高精度结构的制备。利用这种刻蚀辅助激光改性加工技术，可以实现微透镜阵列、光波导等微光学元件以及微流控芯片等微纳器件的制备。早在2000年，Kim等利用这一技术，制备了粗糙度低于10nm的砷化镓微透镜。初步证明了刻蚀辅助激光改性加工技术在制备微光学元件应用上有着重要的应用价值。在此基础之上，2003年Atuchin等[37]结合深紫外光刻技术，在二氧化硅表面制备了高衍射效率的微透镜阵列，进一步验证了刻蚀辅助激光改性加工在微光学器件制备方面的应用潜力。近年来随着飞秒激光加工的不断发展，这种技术被应用来实现更精细的加工。

4.金属烧蚀传热物理模型

飞秒脉冲激光作用面齿轮的时间极短，小于面齿轮温度达到平衡所需要的时间。金属材料受飞秒激光辐射后，会在皮秒量级发生自旋温度的升高，从而发生电子的超快退磁和磁化的恢复现象，这影响温度的平衡方式和平衡时间。传统的双温方程展示了脉冲激光烧蚀面齿轮时电子与晶格随时间的温度变化，并不能对退磁效应做出解释。在双温模型的基础上引入电子的自旋温度，与传统的电子温度和晶格温度组成三温模型，可解释这种现象。飞秒脉冲激光作用面齿轮的三温模型[14]，可划分为3个过程，第一过程为飞秒激光辐射在面齿轮表面，先促使电子场直接与电子系统相联系；第二过程为自旋系统的动态特性，在此过程中能量可以从热电子系统转移到低温自旋系统，并伴随着自旋温度上升，通过自旋反转过程的电子系统耦合来表现；第三过程为受激自旋系统通过电子-晶格耦合弛豫机理与晶格系统相联系，将温度传递到晶格系统。由于电子-晶格耦合时间比电子-自旋耦合时间长，所以自旋系统将被晶格系统冷却。三温模型能量转移的动力由电子温度、自旋温度和晶格温度的不同引起。

5.圆弧插补进给

由于直线插补磨削效果不佳，故采用圆弧插补进给的方式进行磨削加工。为简化加工、测试难度将冰刀磨削为单段圆弧，为防止毛坯料不规则，导致磨削时局部背吃刀量过大，难以达到理想的磨削加工效果甚至导致磨削力过大使冰刀位置发生偏移，故先采用刚玉软砂轮进行粗磨，使冰刀轮廓呈圆弧状，半径Ｒ＝２１０００ｍｍ。然后采用立方氮化硼硬质砂轮进行磨削。为保证加工效果，进行多次重复磨削。可以发现圆弧插补磨削效果远远高于直线插补，测量结果中存在明显的突变，可能原因是磨削加工后存在较多毛刺或者是碎屑粘附在刀刃上。从图中浅灰色线可以看出滤波、拟合数据处理能很好的去除测量结果上的突变。图８ｂ表示拟合结果和Ｒ＝21000ｍｍ的标准曲线，其中标准曲线是选取滤波数据结果前后各２０组数据的平均值作为起点、终点，再根据Ｒ作标准圆弧曲线可看出拟合曲线与标准曲线很接近。

结束语

本文总结了液体辅助激光加工技术在微纳器件加工方面的研究进展，从原理上，由于液体的作用能够带走加工表面产生的碎屑，同时起到减少热影响区的作用，与其他激光加工工艺相比，这种方法制备出的结构表面质量相对较好。同时，这一技术去除材料的机理具体取决于加工方式以及使用辅助液体种类，几乎可以实现对任意常见材料的加工，这也是液体辅助激光技术的巨大优势之一，为现阶段生产生活基础设施建设领域和国防军事等高端工业制造领域的应用留下了广阔的发展空间。本文对液体辅助激光加工方法的基本流程进行了介绍。着重针对液体辅助激光加工材料去除原理对三种不同的加工方法进行了解释。并对各种方法的优劣进行了对比。

参考文献

[1]李奇思,梁庭,雷程,等.355nm全固态紫外激光直写刻蚀硼硅玻璃微通道[J].中国激光,2018,45(8):0802003.

[2]柏锋,赵全忠.超短脉冲激光半导体材料退火[J].激光与光电子学进展,2016,53(11):110001.