飞秒激光微纳加工在高性能微光学元件制造中的应用基础研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

位置：立项数据库 > 立项详情页

飞秒激光微纳加工在高性能微光学元件制造中的应用基础研究

项目名称：飞秒激光微纳加工在高性能微光学元件制造中的应用基础研究
项目类别：重大研究计划
批准号：90923037
申请代码：E031502
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2010-01-01-2013-12-31

项目负责人：孙洪波
负责人职称：教授
依托单位：吉林大学
批准年度：2009

中文摘要：

非球面微光学元件具有球面元件无法比拟的光学成像和光束整形能力，能够大幅度简化光路结构，降低系统重量和尺寸，在航天、航空、天文、电子、通讯和激光技术等领域都有紧迫需求。然而，由于尺寸小，无法利用金刚石车床数控铣磨等技术进行加工，如何制备非球面微光学元件已经成为一个国际难题。本项目在申请者良好先期工作基础之上，提出使用飞秒激光微纳加工技术对这一难题进行挑战。具体以非球面微透镜及阵列的制造为突破口，通过"弱受限微纳尺度区域内发生的高度非平衡光反应规律"这一纳米制造关键科学问题的突破，利用高分子树脂材料的双光子聚合和透明介质的激光微爆破两条技术路线制备模板，然后通过图形转移实现高质量的非平面光学元件。在此基础上，将微透镜及阵列与大功率激光器和MEMS扫描器集成，得到具有光束整形和扫描能力的微系统原型器件。实现代表性指标包括镜元直径约100微米；阵列数10×10合束准直后发散角小于3mrad。

中文主题词：飞秒激光微纳加工；双光子吸收；微透镜及阵列；光束整形；MEMS

英文摘要：

femtosecond laser micromachine；two photon absorption；Micro-lens array；beam shaping；mems

英文主题词： femtosecond laser micromachine；two photon absorption；Micro-lens array；beam shaping；mems

结论摘要：

非球面微光学元件具有球面元件无法比拟的光学成像和光束整形能力，能够大幅度简化光路结构，降低系统重量和尺寸，在航天、航空和激光技术等领域都有紧迫需求。然而，由于尺寸小，无法利用金刚石车床数控铣磨等技术进行加工，如何制备非球面微光学元件已经成为一个国际难题。本项目在申请者良好先期工作基础之上，提出使用飞秒激光微纳加工技术对这一难题进行挑战。具体以非球面微透镜及阵列的制造为突破口，提出了光场裁剪新理念，为本项目开展高精度、可重复、高效率激光微纳加工奠定了理论基础与技术支撑。具体内容包括在时域，建立了以泵浦探测、单光子计数、荧光上转换等超快技术为依托的激发态动力学研究手段，揭示了典型材料的瞬态脉冲光激发特性与调控规律；在空域，提出了超衍射限造型、相位掩模、多场相干、诱导波自相干等一系列微纳制造新技术，实现了多种材料的高精度改性、去除和成型;通过对飞秒激光微纳加工的极限分辨率问题进行深入探索,实现了小于20nm分辨率的高精度加工。基于上述新方法与新技术，实现了以整形微透镜为代表的系列高性能微光学元件。具体包括波带片、非球面折射透镜、折衍混合、可调谐透镜等。微光学元件的一个重要应用是半导体二极管激光器的光束整形。半导体二极管激光器具有发散角大的输出光束，边发射激光器平行和垂直于结平面光斑尺寸不对称，光强成高斯分布且不均匀等问题，在实际应用中，限制了其发展。通常，在半导体激光器外部，添加折射、反射、衍射等光学系统，通过对输出光束的整形从而提高出射光束质量；但其结构复杂，组装对准困难。本项目针对半导体二极管激光器光束整形这一难题，利用飞秒激光加工制备了用于垂直腔面发射激光器的集成非球面微透镜，将输出激光发散角由18.16度减小到0.86度。针对边发射半导体二极管激光器，制备了非对称多阶波带片和非对阵双曲面透镜，实现了从快轴60度、慢轴9度到6.9mrad和32.3mrad的理想整形效果，并实现了与光纤高于80%的耦合效率。同时,以上述研究为基础，为有机电致发光与太阳能电池、高性能光纤传感、微流与光流检测、无膜增透红外制导等多个基础研究与国防应用前沿领域面临的微光学问题，提供了新颖解决方案。部分成果已经开始向应用转化。围绕项目，共发表影响因子>3的SCI论文的80篇，被选为封面论文10篇，被他引300余次；获批发明专利7项；相关成果获评全国光学十大进展和全国百篇优秀博士论文.

成果综合统计