随着半导体行业微细加工技术的发展，通过小型化和在小范围内组合各种功能，产生出许多具有新特性的新应用，并且随着信息化时代的发展，要求完整的信息系统需要在一个尽可能小的空间内能够实现尽可能多的功能，这就促使着光学系统必须小型化，光学元件必须微型化，以处理光学、激光等领域的新应用。

微光学元件无论是现代国防科学技术领域，还是普通的工业领域都有很广阔的应用前景。在军事领域被用于研制生产如热成像装置、红外扫描装置、微光夜视头盔以及各种变焦镜头等军用光电系统。在普通民用领域中，自由非球面零件可以大量地应用到各种光电成像系统中，如摄像机的变焦镜头、各种显示系统以及医用内窥镜等。

随着人们对微光学元件的不断研究，提出了多种制备方法，如双光子聚合、半导体光刻工艺、电子束刻蚀、金刚石车削、飞秒激光直写以及辅助刻蚀等。然而这些方法都分别存在着加工效率低、难以制备三维结构、成本高、精度较低等缺点。

飞秒激光直写虽然对材料无选择性、对环境要求低、制备精度高，并且可以实现任意三维结构的制备，但是通过飞秒激光直写出的结构表面粗糙度往往较高，难以符合人们对光学元件表面低粗糙度的要求。而通过后续刻蚀工艺的处理，可以实现一个理想的表面粗糙度。

因此，飞秒激光辅助刻蚀的工艺就进入了人们的视野，研究人员利用此方法在多种材料表面以及内部制备出了功能多样的微光学元件，使得微光学领域得到了迅猛的发展。

1、飞秒激光加工特点

飞秒激光是脉冲宽度为几飞秒到几百飞秒的脉冲激光，飞秒激光加工的重要特点是大大减少了热能向加工区域的扩散，显著降低了热影响区的形成，从而对软材料和硬材料都可实现加工，即对材料无选择性。

同时，抑制热能向周围区域的扩散也为高精度的加工提供了必要的前提。并且由于加工的自由度高，所以可实现任意复杂三维结构的制备。

此外，飞秒激光加工还有一重要的特点是能够引发非线性吸收，使原本对于光透明的材料发生强烈的光吸收。多光子吸收过程使得飞秒激光不仅可以对透明材料表面进行加工，还可以对其内部进行三维加工。

通过飞秒激光直写出的结构表面粗糙度往往较高，难以符合人们对于光学元件表面低粗糙度的要求，为此，结合后续刻蚀工艺对结构表面质量进行改善就显得十分必要了。

刻蚀辅助飞秒激光工艺的基本原理是通过激光使得材料发生改性，从而实现激光作用区域刻蚀速率的改变，并根据改性区刻蚀速率的加快和减慢，分别使其在后续的刻蚀工艺中充当去除区域或是刻蚀掩膜区，并通过激光焦点的扫描来形成三维的改性区，低功率的激光改性配合后续刻蚀工艺的作用，可以方便实现任意三维微光学元件高平滑度的高效制备。

刻蚀辅助飞秒激光工艺主要分为湿法刻蚀辅助飞秒激光加工和干法刻蚀辅助飞秒激光加工两种。

常用的干法刻蚀系统有离子束刻蚀、反应离子束刻蚀和感应耦合等离子体刻蚀等。离子束刻蚀是一种单纯利用物理轰击进行刻蚀的工艺，优势在于对材料无选择性，可用各种材料进行处理。在反应离子刻蚀和感应耦合等离子体刻蚀过程中包括两种同时发生的过程：物理溅射、离子反应。由于过程中化学反应的参与，可实现横向刻蚀并极大地提升了刻蚀的速率。

微光学元件，指面形精度可达亚微米级，表面粗糙度可达纳米级的自由光学曲面及微结构光学元件。

微光学元件具有体积小、重量轻、设计制造灵活、制造成本低、易于实现阵列化和批量化生产等优点，能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能，在人工智能、光纤通信、激光雷达、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术等应用领域中具有重要的应用价值。

2、飞秒激光器的应用领域

飞秒激光器是一种超快脉冲激光器，其脉冲宽度较短，达到了飞秒量级，一般为10-15-10-17秒，因此具有更高的分辨率。飞秒激光器作为超快激光器的一种，具有超高速、超强电场、超高分辨率、极短的脉冲宽度、极高的峰值功率和极宽的光谱范围等特点，在材料加工、光通信、超快化学动力学、生物学、医疗等诸多领域均有着重要作用。

在材料加工领域，飞秒激光器可实现金属材料的高精度和高质量钻孔和切割，同时也能实现光纤通信器件内部的无损伤加工，以及半导体材料的微米级加工、聚合复合物材料的加工、高爆危险物品的切割分离；

在光通信领域，飞秒激光相干控制技术可实现光通信光电转换率的突破，同时，利用飞秒激光技术还可以实现带宽为tHz的光纤网络，从而促使半导体激光的超短技术和开关技术快速实现与发展；

在生物领域，科学家们可利用飞秒激光器去开展关于制造基因、蛋白质分析用的微型芯片的应用研究；

在医疗领域，飞秒激光器在病变早期诊断、医学成像、生物活体检测、外科医疗方面有着独特的优点和不可替代的作用，目前其已在眼科、手术外科、脑神经外科等领域取得初步成果。

3、中国光学元器件市场规模达1300亿元

近些年随着消费电子市场的持续火热，光学产业迎来了巨大的市场机遇。其中，精密光学产品已被各国广泛应用在航空航天、生物医疗、机器视觉、无人驾驶、生物识别、AR/VR 设备、军事、科研等领域。随着这些市场领域的快速发展，全球对精密光学元件组件需求进一步增加，为行业发展提供了良好的市场前景。

德国机械设备制造业联合会（Mechanical Engineering Industry Association，VDMA）发布的《Photonics in Germany 2019》数据显示，2017年全球光学产业市场规模约为 5300亿欧元，到2022年将达到8000亿欧元。

国内市场，随着苹果引领的智能可穿戴设备、车载影像、安防监控等新兴电子产品的迅猛发展，带动了精密加工领域的市场需求，并在国家政策的支持下，2016-2019年，中国光学元器件市场保持快速增长。根据中国光学光电子行业协会发布的《2019年度中国光学元器件行业发展概况》统计，2019年中国光学元器件市场规模为1300亿元，较2018年增长85.71%。

近些年随着国内相关基础性产业支持政策不断出台，有力支持国内光学元件组件精密加工制造能力的提升。《产业技术创新能力发展规划（2016-2020 年）》强调机械工业基础制造技术关键零部件的高速高效精密切削等先进基础制造工艺技术，提高我国在光学加工设备、光学器件、光学镜头等方面的设计及整体制造能力；《工业强基工程实施指南（2016-2020 年）》指出加快促进工业基础能力提升，重点发展光学精密及超精密加工工艺，非球表面零件加工工艺；《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划》要求重点发展精密与超精密加工工艺及装备，突破高精度光学元件等精密超精密加工关键技术。

相较于传统的光学元件，微光学元件在现代光学中具有重要意义，可实现的功能众多，并满足现代发展微型化的需求。

随着科技的发展,对微光学元件的加工与应用提出了越来越高的要求,其制作加工已成为阻碍微光学元件快速发展的瓶颈问题，进而发展了多种微光学元件的制备技术。其中，刻蚀辅助飞秒激光技术作为微光学元件的重要制备方法，具有广泛的应用前景。

文章来源： 光电汇，新思界网