本文介绍了一项关于高精度多焦点激光雕刻微结构玻璃的研究，由Kang Xu、Peilin Huang、Lingyu Huang、Li Yao、Zongyao Li、Jiantao Chen、Li Zhang和Shaolin Xu共同完成，发表于2024年10月的《Opto-Electronic Advances》期刊上。该研究由南方科技大学机械与能源工程系和深圳市桂华智能技术有限公司的广东省超快激光微纳制造装备与技术工程技术研究中心联合开展。

研究背景

玻璃因其成本效益高、耐腐蚀性强以及优异的光学性能，广泛应用于光学和光电子设备中。随着设备小型化和集成化的需求增加，玻璃表面微结构的精确雕刻变得尤为重要。然而，玻璃的高脆性和低导热性使得其加工面临巨大挑战。传统的玻璃加工方法包括增材制造、成形制造和减材制造，但这些方法在精度、效率和形状控制方面存在局限性。超快激光加工作为一种非接触式减材制造方法，具有高精度、低热影响区和形状自由调节的优势，成为玻璃微结构加工的理想选择。

研究目标

本研究旨在开发一种基于多焦点激光调制的高效玻璃微结构加工技术，通过结合化学蚀刻，实现具有高形状可控性和低表面粗糙度的玻璃微结构制造。研究团队提出了一种基于透镜和光栅相位图叠加的算法，用于生成多焦点激光束，并通过化学蚀刻实现玻璃微结构的精确成型。

研究流程

1. 多焦点激光调制：研究团队使用超快激光器（波长1030 nm，脉冲宽度220 fs至20 ps）和空间光调制器（SLM）生成多焦点激光束。通过优化透镜和光栅相位图的叠加算法，实现了多焦点激光束的高精度调制。
2. 激光加工与化学蚀刻：激光束通过20×或50×物镜聚焦在玻璃表面，扫描速度控制在10-50 mm/s，脉冲重复频率为50 kHz。激光加工后，玻璃表面形成裂纹，随后通过热碱性化学蚀刻（80-90 wt% KOH，80-90°C）进行3-6小时的蚀刻，最终形成设计的微结构。
3. 表面形貌分析：使用光学显微镜、激光扫描共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对加工后的玻璃表面形貌进行分析，评估表面粗糙度和形状精度。

主要结果

1. 多焦点激光调制优化：通过引入随机化坐标和能量调整系数，研究团队成功解决了多焦点激光束能量分布不均匀的问题，显著提高了加工精度和表面质量。
2. 多样化微结构制造：研究团队展示了多种形状的玻璃微结构，包括梯形、三角形和半圆形凹槽，表面粗糙度低至1.3 μm，深宽比高达3:1，深度可达300 μm。
3. 实际应用展示：研究团队展示了48槽光纤封装器件，使用梯形凹槽阵列实现了高精度的光纤封装，表面粗糙度为1.3 μm，形状误差仅为4 μm。

结论

本研究提出了一种基于多焦点激光调制和化学蚀刻的高效玻璃微结构加工技术，成功解决了玻璃加工中的高脆性和低导热性问题。通过优化多焦点激光束的调制算法和能量分布，研究团队实现了高精度、低粗糙度的玻璃微结构制造，展示了该技术在光电子器件中的广泛应用前景。

研究亮点

1. 创新性算法：研究团队开发了一种基于透镜和光栅相位图叠加的算法，实现了多焦点激光束的高精度调制，解决了传统方法中能量分布不均匀的问题。
2. 高形状可控性：通过多焦点激光调制和化学蚀刻，研究团队成功制造了多种形状的玻璃微结构，展示了该技术的高灵活性和广泛应用潜力。
3. 实际应用价值：研究团队展示了该技术在光纤封装器件中的应用，证明了其在光电子领域的重要价值。

研究意义

本研究为玻璃微结构加工提供了一种高效、高精度的新方法，具有重要的科学和应用价值。该技术不仅推动了玻璃加工领域的技术进步，还为光电子器件的设计和制造提供了新的可能性。