牛顿棺材板要被掀开？光学应用规则即将改变，新型激光雕刻技术在光学上的应用

近年来，随着对空间望远镜、X射线镜、显示器等光学系统要求的不断提高，光学系统迅速向轻量化、高精度、超薄自由曲面、超高精度等方向发展。镜头等新的光学系统。然而，这些光学系统往往会因为应力的作用而产生不同程度的变形，从而降低光学质量，传统的光学制造方法难以满足其严格的成型要求。

为了解决这个问题，麻省理工学院天体物理研究所空间纳米技术实验室的一个研究小组提出了一种应力张量介质 (STM) 结构，该结构消除了光学制造中发生的微观结构扭曲。这种结构也可以使用标准的半导体制造设备来制作，相应的结果已在 Optica 上发表。

通过这种新方法，论文的第一作者开发了一种新的应力模型来精确控制常规材料的应力：研究人员在基板表面的背面覆盖了一层二氧化硅材料。新的应力模式被印入薄膜中，完成了材料某些部分特性的改变。这样，表面上的应力和应力可以在不同的点选择性地去除，并且由于光学表面和涂层粘合在一起，涂层材料的处理将相应地改变光学表面的形状。

“它们不会增加张力来形成形状，但它们会通过精心设计的几何结构（例如点或线）在某些方向上选择性地释放张力，”空间纳米技术实验室的首席研究员兼主任说。

自 2017 年以来，该团队与 NASA 的戈达德太空飞行中心 (GSFC) 合作，开发了一种方法，用于校正由涂层应力引起的 X 射线望远镜反射镜的形状失真。 GSFC X 射线光学集团还表示：“由于过去几十年技术进步和 X 射线光学质量的不断提高，由镀膜引起的畸变是一个日益严重的问题。”

为此，该团队开发了一种基于应力的光刻工艺，该工艺成功地结合了多种技术，当应用于该小组生产的 X 射线镜时，可产生出色的应变平衡。在取得初步成功后，该团队决定将该方法扩展到更广泛的应用，但当时该方法只能精确控制一种表面张力，称为“等偏”张力或均匀旋转张力。然而，为了获得对表面曲率的任意控制，有必要掌握所谓的“表面张力张量”的所有三个术语。

为了完全控制应力张量，该团队完善了这项技术，并最终发明了他们所谓的应力张量介电结构，“通过旋转每个晶胞中晶格的方向并改变所选区域的表面分数。” .应力张量场分量可以通过简单的建模过程同时控制。

研究人员还认为，用于介电应变计结构的更新、更薄和更实用的表面可能在更广泛的应用中有用，例如：B. 增强现实耳机和低成本太空望远镜。 “对光学或半导体表面的变形施加应力并不是什么新鲜事，但通过应用现代光刻技术，我们可以用现有方法解决许多问题。”

第一个问题涉及被检查材料的光学特性和激光的波长。一定波长的激光必须被附着在激光器上的有源层强烈吸收，而不是被基板吸收。这个过程最终取决于两种材料之间的距离。热导率等物理性质和激光电流（强度）、激光相互作用时间、重复率和扫描方式等激光加工参数，它们极大地影响着最终的技术效果。另一个需要考虑的重要因素是长度，即热扩散的长度，即能量（热量）在暴露于激光时传播的距离。具有较高导热率的材料可以更快地传导热量，从而导致更宽的深度温度梯度，最终影响辐射界面材料的成分和结构。热量也由脉冲决定（CW 激光器的激光束停留时间，脉冲激光器的脉冲宽度）。

脉冲板激光器的使用在需要快速加热和冷却循环以及高度局部化的热交换区以防止热敏材料受到热损坏的应用中很有用。超快激光（皮秒、飞秒）通过去除受热影响的区域提供非常高的分辨率，并且在精密加工中特别有效。此外，最高界面温度可以根据所用激光的强度进行调整，同时考虑到各种与温度相关的现象，例如： B. 辐照界面处的热致局部变形、热致相变和微观结构以及材料的劣化热化学界面。材料。因此，必须仔细控制磁通密度以避免不完全响应（太低）或损坏（太高）。有时需要重复暴露于激光辐射以执行连续的物理/化学反应或收集用于特定目的的反应产物。在这种情况下，必须将扫描期间暴露于辐照界面的累积总时间和频率视为激光重复频率、光束形状和扫描方法的函数。

其他物理特性，如熔点、热膨胀系数和机械性能等，对激光引起的热现象引起的物理现象有很大的影响。化学成分、光化学稳定性和热化学稳定性等化学性质影响化学反应及其产物的性质。因此，不同现象的发生取决于材料体系和激光加工参数的一定组合。这些现象和反应的详细机制将在下一节中描述，其中涉及具体的方法。

在机械柔性方面，具有大量所需材料和结构的基板，例如硅、蓝宝石和玻璃基板，并不是柔性电子产品的理想基板。在将异质结构/节点转移到新衬底（软衬底）之前，必须去除原始衬底。 LLO 为这种磁盘更换过程提供了一条行之有效的途径，它具有高效、非接触和无损坏的操作、广泛的范围以及与传统 MEMS / CMOS 工艺的高度兼容性。

呈现了 LLO 流程的代表性图表。分层结构/器件是在透明基板（例如石英和蓝宝石）上制成的，通常是撕裂层。激光通过透明基板照射，以显着降低离型层和基板之间的粘附力。短波长脉冲激光具有更高的吸收和更短的相互作用时间，以减少热效应并保护超晶格。因此，一般选择紫外波长、脉宽为纳秒级的准分子激光器。一旦基板被完全扫描，框架就可以与原始基板分离并连接到柔性基板或转移工具上。激光烧蚀机理由激光的种类、被剥离的材料和工艺参数决定，并且高度复杂，包括化学反应（如热化学分解或l-烧蚀）或激光引起的物理变化。激光。 （例如硬化、熔化和蒸发）。

通常，使用两种光学处理技术，即用大线性光束（线性扫描方法）和矩形激光光斑（相位和重新扫描方法）扫描基板。激光束由望远镜产生，该望远镜将原始激光束轮廓转换为线性光束轮廓。均质光学器件提供了均匀且稳定的场形状。当遮罩逐渐投影时，唯一的区别是包含模型信息的遮罩出现在不透明的表面上。目前，准分子激光系统的延长线最长可达 750 毫米，0.4 毫米宽的智能手机每小时可处理约 10,000 个柔性智能手机显示屏。它提供了一种高效灵活的方式来实施电子制造的全球战略。

光纤技术的发展是脉冲激光器领域的一个关键趋势，为超短脉冲光纤激光器的技术成功做出了重大贡献。罕见的背景掺杂技术和蛤壳泵技术首次解决了高增益问题。鉴于超快光纤激光器所需的高峰值功率和高脉冲能量引起的非线性纤芯功率，超宽范围的光纤非常重要。与CW激光器相比，高功率脉冲激光器对光纤具有更高的非线性和损伤阈值。它们不仅要求光纤的空间场直径大，而且形状均匀的优良性能。