[发明专利]利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及应用

说明书

本发明公开了一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及应用，属于激光加工技术领域，本发明采用多光子激发替代传统的单光子激发来解决利用飞秒激光进行大埋入深度直写时的失焦问题，其主要原理是将飞秒激光分束后再聚焦于待加工材料内部，将多个光子的能量“凑足”原单光子激发的对应的能量阈值，从而达到对材料改性的加工目的。同时，调节分束后的子束激光时域同步，并使其最终近正交会聚于待加工位置，从而获得具有近4π立体角的近球型焦斑。如此，利用多光子激光解决了飞秒激光大埋入深度直写时的失焦问题，可获得不同加工深度性质均一的三维埋入式结构。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及利用多光子激发进行飞秒激光大埋入深度直写加工，通过将飞秒激光分束并调节各束脉冲在时间和空间上同步，以实现基于多光子激发的三维埋入式结构的直写加工。

技术背景

量子信息技术因其具有超强的并行计算能力、大容量的信息传输和处理能力以及基于量子力学基本原理的高保密特性等，已成为当今各国重点研发的技术之一。在众多可支持量子信息技术的物理体系中，光子由于其良好的产生、操控和探测特性，已成为最重要的一种量子信息载体。进一步地，为了满足量子计算机系统稳定性的要求，需将分束器和波导耦合器等基本元件集成为光量子芯片。目前，各国课题组所构建的量子芯片主要基于二维平面波导之间的相互耦合，且仅限于相邻模式之间，而非相邻模式只能通过多个相邻模式交换来进行间接耦合。通过二维布局来实现上述模式耦合需要依赖高复杂度的布线，从而降低了光学干涉效果，增大了计算误差。而利用飞秒激光直写这一高精度的三维加工技术来制备三维扩展的量子芯片，则能够突破上述二维平面芯片的限制。具体地，需利用飞秒激光在体材料内部进行大埋入深度的直写加工。然而，现有的飞秒激光直写技术在工作距离超过200μm时(以NA＝1.45的油浸物镜为例)，存在严重的失焦问题，即焦斑沿纵向拉伸为椭球型。这会导致不同加工深度的波导性质不同，无法实现量子干涉所需要的光路对称条件。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法。采用多光子激发替代传统的单光子激发来解决利用飞秒激光进行大埋入深度直写时的失焦问题，其主要原理是将飞秒激光分束后再聚焦于待加工材料内部，将多个光子的能量“凑足”原单光子激发的对应的能量阈值，从而达到对材料改性的加工目的。同时，调节分束后的子束激光时域同步，并使其最终近正交会聚于待加工位置，从而获得具有近4π立体角的近球型焦斑。如此，利用多光子激光解决了飞秒激光大埋入深度直写时的失焦问题，可获得不同加工深度性质均一的三维埋入式结构。

本发明通过如下技术方案实现：

一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，具体步骤如下：

(1)、时间同步脉冲产生；

具体步骤为：通过半反半透镜结合反射镜组的分光方式将飞秒激光分成光强均匀、光程相同的两束子束飞秒激光FL₁和FL₂，即使激光历经“扩束－等光程分束”的光路，并确保沿光路激光经过每个镜子的中心位置；经过各自的时间同步反射镜组后，两子束激光的脉冲达到时间同步，即同时到达各自的空间同步反射镜；

(2)、脉冲空间同步调节；

具体步骤为：首先，取待加工的体材料置于飞秒激光直写的样品台，前后移动样品台使两子束激光分别聚焦于样品表面，同时通过电脑端实时监控两子束飞秒激光焦点在样品表面的位置；然后，对称调节两个空间同步反射镜与竖直方向的夹角，使得两子束飞秒激光的脉冲达到空间同步，在分别历经“反射-聚焦”的光路后最终会聚于样品表面同一点，形成所需的多光子激发焦点；

(3)、三维埋入式结构直写；

具体步骤为：首先，调节样品台前后位置使得多光子激发焦斑位于体材料内部的待加工起始位置；然后，利用多光子激发焦斑对材料进行大埋入深度连续扫描，最终获得所需三维埋入式结构。