3D原位折射率表征在激光纳米加工中的突破

用于科学研究和工业现代化。

光通信一直是推动整个通信网络发展的基本动力之一,是现代电信网络的基础,面对高流量的增长趋势,光通信作为通信网中最骨干的部分,承受着巨大的升级压力。因此,高速、大容量的光通信系统及网络将是光通信技术的主流发展方向。

三维光子学芯片是光通信的核心器件之一,是以光子为信息载体,具有高速并行、低功耗的优势,因此被认为是未来高速、大数据量、人工智能计算处理的最具有前景的方案。该光子芯片可以解决很多在数据处理时间长、无法实时处理、功耗高等应用领域的关键问题。

扇入扇出三维光子学芯片的研究是目前的光通信研究的核心挑战之一。光波导是扇入扇出三维光子学芯片的基本结构,其导波传输特性能够有效地消除光束发散,可以在较长的传输长度上保持较高的光密度和均一的导波模式,有利于增强光与波导材料的相互作用并提升基质原有的光学性能。因此,在不同光学材料中制备低损耗、结构灵活的光波导结构,进而实现多功能高性能波导光学器件一直是光子学芯片的研究热点。

行业挑战

由于传统波导制备工艺的局限性以及晶体材料结构的复杂性,在晶体材料中构建三维光波导结构通常较为困难,而近年来快速发展的飞秒激光直写技术则为解决这一难题提供了有效的解决方案。

飞秒激光释放的能量可以改变材料的结构,从而使材料的折射率发生永久性的变化。因此,了解和表征折射率的分布是三维光子学芯片加工中的一个重要部分。

然而目前尚不存在任何一个表征方法能够准确的表征由飞秒激光在光学晶体内部形成的三维结构变化,以及其产生的折射率分布和形貌。 如何有效的表征,并及时反馈给加工过程,便成为当前三维光子学芯片加工质量管控的核心挑战之一。

解决方案概述

光学元器件的主要结构参数指标是其折射率分布和结构形貌,只有满足折射率分布及形貌的要求才能实现高性能的光学元器件。同时折射率是光学材料的重要参数,通过了解折射率的变化可以了解材料的性质、是否被改性以及是否有损伤。

对于光学元器件,尤其是基于折射率变化的光学元器件,如光波导芯片和光纤光栅的检测,目前尚不存在标准的和定量的方法来表征其三维折射率的分布,这已经成为精确设计加工折射率光学元器件的巨大瓶颈。因此,Innofocus 独创的三维折射率空间表征能够准确的测量结构与衬底材料之间的折射率差,其精确率可以达到10^-4量级。此方法不仅能够精确测量结构的折射率差分布,还可以重构刻写结构的三维形貌,对比加工设计,甄别加工偏差。其主要功能为:

1.原位检测激光加工的光波导的折射率差,及三维空间分布和表面光滑度,用于优化激光加工参数。

2. 定量检测元器件表面、内部的折射率分布,并与设计进行比较。 确定加工工艺是否能满足元器件加工的质量需求(比如缺陷、与设计匹配度的自检 )。

3. 通过折射率变化的测量可以反应材料是否被改性。 因此该检测方法可以用来检测光学元器件在极端环境的应用中是否被改性——比如高温、高湿度等环境中,元器件是否会发生变形,是否有内部损伤等。定量检测元器件哪个部分出现损伤。普通的表面损伤容易被检测,然而,由于环境高低温骤变在原件内部,如果光波导芯片内部,或者FBG内部产生局域折射率变化,而这种变化可能对光学元件的性能产生毁灭性的影响。目前没有其他方法可以进行定量检测,并给出高分辨率的三维折射率分布信息。这种方法是唯一的检测方法。

4. 定量设计、定量观察,所见的折射率分布即为加工结果。可以根据所见的折射率分布精确有效的发现新的激光与材料相互作用的物理机制,并用三维图像的方式可信,美观的展示出来。是科研工作者独一无二的高水平文章的利器。

客户价值

加工原位进行折射率表征,快速优化设计及加工参数。

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应用场景

广泛的应用,例如。激光制造的表征,设计和参数的优化,光波导表面形态的表征,光学元件材料特性的表征,光学元件材料均匀性的表征,光学元件内部损伤的表征和FBG的原位表征等等。

光通信

利用NanoPrint 3D智能纳米加工系统进行飞秒激光加工,可以在透明介质中直接写入微米级、亚微米级甚至纳米级的三维微纳米结构,具有无掩膜、结构灵活、设计简单、加工速度快等优点。通过与不同光学材料的结合,它可以在全光通信领域实现广泛的应用,特别是在衍射光学、集成光学、片上光学、硅光子学、纳米光学和量子光学的制造方面,在众多微纳米制造技术中脱颖而出,成为越来越重要的使能技术。

 

三维微纳结构的设计可以增强局部光场与物质的相互作用,从而产生各种线性和非线性光学现象,缩短作用尺度,从而有效实现器件的小型化、集成化和低能耗。例如,Nanoprint 3D智能激光纳米制造系统可以实现各种微型衍射光学元件,包括微型透镜、集成光栅、波段片等,可以在成像、波长选择、色散补偿等方面发挥巨大作用。

 

此外,NanoPrint系统独特的高功率飞秒激光器能够与不同的材料,如玻璃、硅、硫基玻璃和铌酸锂晶体进行互动。这些材料可以有效地引入非线性光学相互作用,用于波长转换、光学开关、非线性调谐等。纳米级波导中的非线性相互作用可以被利用来产生有效的量子光学的纠缠光子源。飞秒激光器可以在光纤、块状玻璃和二维材料中引入超高折射率变化,形成高质量的光波导、超薄器件和复杂的三维集成光学系统,如光连接器和片上集成,这些都是超高速、超高容量和量子通信的重要使能部件。

生物学应用

近年来,飞秒脉冲激光器已被广泛应用于微流控设备、微传感器、生物医学等微纳米制造领域。特别是在生物医学领域,激光可以实现复杂精细的微纳米结构加工,最能满足一些特殊应用的生物医学产品的要求。

 

与传统的制造方法相比,飞秒脉冲激光微加工具有 "冷 "加工、低能耗、低损伤、高精度、三维空间严格定位等优点,在生物器件的制造中具有良好的前景。激光微加工技术赋予生物材料新的结构和功能,可用于细胞培养,实现对受损组织或器官的永久性修复,已成为当代生物医学的发展方向。

 

虽然激光微细加工技术可以制造出结构极其精细的新一代植入式医疗器械,使下一代植入式医疗器械具有商业可行性,但激光微细加工技术在生物医学领域的发展还不成熟,生产效率低,工作稳定性有待提高。

 

对于激光微细加工,目前还没有一套完整的理论来解释超快、超短、超强等极端条件下激光与材料相互作用的物理本质,不能很好地评价激光微细加工对材料结构及其物理和化学性能的影响。下一步的工作还需要大量的基础和常规研究,同时需要开发仿真分析软件,模拟微细加工过程,根据激光微细加工的特点和被加工材料的特性,优化激光微细加工过程的参数。

 

NanoPrint 3D智能激光纳米制造系统可广泛应用于生物学领域,用于生物材料的表面微细加工、医疗MEMS组件的制备、血管支架结构的加工、生物支架的快速原型制造和细胞饲养支架。

微流控技术

微流控技术是指:1)实验仪器和设备的微型化(几十到几百微米大小);2)实验对象是液体(纳升到升的体积);3)在微型化设备上控制、操纵和处理液体。微流控技术是将生物、化学和医学分析过程中的样品制备、反应、分离和检测等基本操作单元整合到一个微米级的芯片上,自动完成整个分析过程。

 

微流控芯片是实现微流控技术的主要平台。它最大的特点是可以在一个芯片上形成一个多功能的集成系统和大量的微全分析系统的复合系统。微流控芯片采用类似于半导体的微机械电加工技术,在芯片上构建微流控系统,在由相互连接的通路和液相室组成的芯片结构上再现实验和分析过程,装载生物样品和反应溶液,再由微机械泵进行。诸如电液泵和电渗流等方法驱动缓冲液在芯片中的流动,形成微流体通道,在芯片上进行一个或多个连续反应。

 

NanoPrint 3D智能激光纳米制造系统采用了多种检测系统,如激光诱导荧光、电化学和化学,以及许多与质谱等分析工具相结合的检测方法,已被应用于微流控芯片,用于快速、准确和高通量地分析样品。