在科技飞速发展的今天，微小而精密的光学元件——微透镜，正广泛应用于激光光束整形、光纤通信、光学数据存储等众多领域。传统制造技术在加工微透镜时，面临表面质量差、工艺复杂等难题，这促使人们不断探索更先进的制造方法。激光加工技术凭借其灵活性和高精度的优势，成为制造微透镜的热门选择，其中飞秒和皮秒激光的应用备受关注。最近立陶宛的物理科学与技术中心Laimis Zubauskas等人发表了《Comparative analysis of microlens array formation in fused silica glass by laser: Femtosecond versus picosecond pulses》的文章，针对飞秒和皮秒激光在制造微透镜方面的表现进行了详细的分析和对比。

图1 （a）飞秒及皮秒激光加工光学元件示意图；（b）CO2激光器光学元件抛光示意图

该研究采用了EKSPLA的两台超快激光器进行光学元件加工如图1（a），一台皮秒激光器Atlantic 60(参数：1064 nm，60 W，10 ps，1 MHz)，另一台为飞秒激光器FemotLux 30(参数：1030 nm，30 W，320 fs，4 MHz)，其中两台的激光器的加工频率固定在400 kHz，通过光路中的电动镜进行切换，两台激光器都是采用同一套振镜，场镜（f=100 mm）和运动平台进行加工，通过该套加工系统后，皮秒的聚焦光斑尺寸为34 μm，瑞利长度852.9 μm，飞秒的聚焦光斑尺寸为31 μm，瑞利长度732.4 μm。另外两台激光器打在玻璃表面的最大能量密度皮秒为21 J/cm2，飞秒为12.6 J/cm2。图1（b）后续通过一台激光功率为80 W的CO2激光对加工的光学元件进行抛光处理。

在实验中，研究人员精细调整激光的扫描速度和能量密度，通过测量去除材料层的厚度、表面粗糙度，观察消融腔的形貌，来优化加工过程。同时，利用光学轮廓仪、CCD 相机等设备，对微透镜的各项性能进行精确评估。研究主要对比了以下三个部分：

原始玻璃单层去除

图2 通过优化参数使表面粗糙度降低到最低，（a）和（c）为飞秒处理的表面粗糙度表征图，（b）和（d）为皮秒处理的表面粗糙度表征图，其中（a）和（b）的扫描间距为5 μm，（c）和（d）的扫描间距为10 μm

图3 不同扫描速度和能量密度下（a）飞秒激光器320 fs脉宽和（b）皮秒激光器10 ps脉宽的去除厚度对比

表1 飞秒与皮秒激光器达到最低粗糙度单层去除效果总结对比。激光器重复频率400 kHz

在单层材料去除实验中，飞秒激光展现出卓越的加工分辨率。它能将最小可去除材料层厚度控制在0.94 μm，相比之下，皮秒激光的这一数值高达 12.95 μm，是飞秒激光的近14倍。这得益于飞秒激光更高的峰值强度和更强的非线性吸收，使其能量能更集中地被材料吸收。在表面粗糙度方面，飞秒激光同样表现出色，最低可达0.126 μm，而皮秒激光为0.594 μm，相差近4.7倍。而且，飞秒激光在较宽的扫描速度和能量密度范围内，都能保持较低的表面粗糙度，加工稳定性明显优于皮秒激光。

玻璃粗糙化后单层及多层去除

图4 预处理玻璃（粗糙化）后，飞秒和皮秒激光器不同扫描速度和能量密度的去除厚度对比

表2 飞秒和皮秒激光器去除最薄的单层厚度总结对比。激光器重复频率400kHz

图5 （a）实线为不同脉宽激光器在不同扫描次数下的去除多层膜的总厚度，虚线为不同脉宽激光器在不同扫描次数下的单层膜厚度；（b）实线为不同脉宽激光器在不同扫描次数下去除多层膜后的表面粗糙度，虚线为不同脉宽激光器在不同扫描次数下表面粗糙度与总去除厚度的比

图6 上图为飞秒在1，64，256不同扫描次数下的表面粗糙度图；下图为皮秒在1，64，256不同扫描次数下的表面粗糙度图

研究人员还发现，对玻璃表面进行预处理（粗糙化）能显著降低激光的消融阈值。经过粗糙化处理后，两种激光都能去除更薄的材料层，飞秒激光甚至能达到0.046 μm的极薄厚度，几乎无法用普通仪器测量。在多层材料去除实验中，飞秒激光的加工稳定性依旧突出，每一层去除的材料厚度都能稳定保持在0.5 μm左右。而皮秒激光随着加工层数增加，去除材料厚度逐渐增大，这是因为其能量在材料中穿透更深，产生的缺陷不断积累，影响了加工效果。

微透镜阵列制备

基于上述优化的加工参数，研究人员分别用飞秒和皮秒激光制造了微透镜阵列，并使用 CO₂激光对其进行抛光。

图7 （a）飞秒制备微透镜阵列的表面形貌图；（b）皮秒制备的微透镜阵列表面形貌图；（c）飞秒及皮秒制备的微透镜阵列截面图

图8 通过CO2激光抛光后，a)和b)分别为飞秒和皮秒加工的微透镜表面形貌图，c)为加工的实物图

表3 不同脉宽激光器加工后，CO2激光抛光前后的对比总结

图9 不同脉宽激光器制备的微透镜阵列并进行CO2激光抛光后，通过对CCD观察对二极管激光聚焦性能对比

以上结果显示，飞秒激光制造的微透镜在各项性能上更胜一筹。其表面粗糙度更低，透镜之间的重复性更好，对激光束的聚焦效果更佳，聚焦光斑直径比皮秒激光制造的微透镜小很多，仅为11.28±0.79 μm（皮秒激光为51.25±6.92 μm），这意味着飞秒激光制造的微透镜能更精准地控制激光束，减少光束散射。

总 结

这项研究表明，飞秒激光在制造微透镜方面具有明显优势，能实现更薄材料层的去除、更光滑的表面加工，制造出的微透镜性能更优。不过，皮秒激光在加工速度上有一定潜力，如果能结合两者的优势，或许能为高质量自由曲面光学元件的制造带来新的突破。研究人员也计划在未来探索这种混合加工技术，让微透镜制造技术更上一层楼，为相关领域的发展注入新的活力。

转自：千链激光网

来源：光格科技

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