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前瞻洞察|胶体银纳米粒子辅助的在玻璃和光学晶体上的高精度并行激光直写技术
发布时间:
2025-07-31
引言：香港中文大学机械与自动化工程系3D打印与纳米制造研究团队近期开发出一种基于胶体银纳米粒子辅助的并行飞秒激光直写系统，致力于攻克透明材料高精度加工中存在的效率瓶颈，提升玻璃及光学晶体表面功能化微纳结构的制备效能。该研究成果于2025年以《Colloidal Silver Nanoparticles-Assisted High-Precision Parallel Laser Writing on Glass and Optical Crystals》为题发表在《Laser&Photonics Reviews》期刊上。
摘要：透明材料，如玻璃和光学晶体，由于其在透光性、机械强度和热稳定性方面的优越特性，是现代光学系统中的重要组成部分。虽然飞秒激光直写是一种广泛使用的加工方法，但这些材料的高硬度和脆性使高质量的加工具有挑战性。通过时间聚焦和胶体银纳米粒子的辅助，提出了一种并行超快激光直写方法，该方法能够在硼硅酸盐玻璃表面有效地产生高质量的无碎片纳米结构。这些结果表明，银纳米粒子的近场增强可以在大幅降低的通量（水中通量的30%）下精确去除材料，同时液体中产生的气泡可以有效地去除碎片。为了证明该方法的灵活性和可扩展性，在玻璃表面制备了不同的微米和纳米级结构，包括具有不同周期的一维和二维光栅以及厘米大小的光栅标志。最后，验证了该方法在石英玻璃和蓝宝石晶体基板上的通用性，显示出相当的分辨率。这种方法可以找到重要的工程应用，因为它提供了一种高通量、高分辨率的解决方案，用于在不同的透明材料上（如光栅、超表面和微流体通道）制造功能性表面或设备。
研究团队利用银纳米颗粒（AgNPs）的局域电磁场增强效应，将刻蚀阈值能量降至传统方法的30%，在减少热损伤的同时，破解了玻璃等低吸光材料的能量利用瓶颈；激光激发AgNPs产生气泡，通过流体力学作用实时剥离加工碎屑，实现无污染、高光洁度的纳米级结构（700nm线宽光栅）实现了气泡动态清除碎屑；基于数字微镜阵列（DMD）的时间聚焦光场调控技术，加工速率达266mm²/h，效率提升超百倍，实现了并行高通量加工；将方法拓展至蓝宝石晶体、硼硅玻璃等高硬度、高脆性材料，为光芯片、超表面及跨尺度器件的规模化制造提供了通用化解决方案。
图1 （a）用于银NP辅助平行激光图案化的飞秒激光投影系统的配置。DMD：数字微镜器件（显示平行纳米槽图案），L1：准直透镜，M：反射镜，L2：物镜。（b）水和（c）银NP胶体内激光写入纳米凹槽的SEM图像。
图2 银NP辅助飞秒并行写入。（a）银NP在玻璃表面上的沉积。（b）玻璃表面上沉积的银NP的SEM图像。（c）通过加热NP形成的气泡去除碎屑。（d）激光写入过程中气泡形成和碎屑去除的实时光学图像。
图3 硼硅酸盐玻璃在不同银NP浓度和激光脉冲数下的写入质量和阈值。（a）DMD上的条纹图案。（b、c）低于和高于写入阈值的制造线（b）和（c）的SEM图像。（d）不同浓度的去离子水和银NP胶体的写入阈值（激光通量）与激光脉冲数的函数关系。（e-h）在（e）水中和浓度为（f）300ppm、（g）600ppm和（h）1000ppm的银NP胶体中通过2000个脉冲写入的纳米凹槽的SEM（顶部）和2D-FFT（底部）图像。
图4 在玻璃上激光制造不同宽度和深度的纳米凹槽。（a）从左到右线宽为8、6、5、7、9DMD像素的平行线图案（即纳米凹槽），激光通量为0.96 Jcm-2（顶部）；纳米凹槽的俯视图（中间）；以及纳米凹槽的横截面图（底部）。（b）槽宽和深度测量图示。（c）测量的槽宽和（d）深度，作为不同激光通量下投影线宽的函数。
图5 1D和2D光栅的制造。（a1-a3）具有不同周期的1D光栅。从左到右，周期分别为2.8、1.4和0.7μm。（b1-b6）不同周期和形状的2D光栅。（c）由周期为2.8μm的1D光栅组成的厘米级中大标志的光学图像；这张照片是用底部的尺子作为参考拍摄的。
图6 （a）石英玻璃和（b）蓝宝石晶体上制备的纳米凹槽的SEM图像。
该研究提出了一种基于时间聚焦的胶体银NP辅助平行激光制造方法，该方法实现了在不同类型的玻璃和晶体上以亚衍射极限水平制造复杂的2D结构，同时减少了通量。NP胶体能够通过形成气泡实现近场增强，以精确去除材料和清除碎片，从而显著提高结构质量。在实验中，我们研究了不同NP浓度下的制造通量和质量，以及不同通量和投影线宽下的最小特征尺寸和深度。在硼硅酸盐玻璃上制作了不同周期和形状的1D和2D光栅，以验证投影方法的精度和均匀性。此外，在石英玻璃和蓝宝石晶体上制备了二维结构，以确认我们方法的通用性。凭借所证明的精度、速度和材料通用性，胶体NP辅助投影制造方法可能在精密激光制造和先进制造中找到重要应用，如微流体器件、光子器件和集成光学器件。
文章来源：Ye, Minxin, et al. "Colloidal Silver Nanoparticles-Assisted High-Precision Parallel Laser Writing on Glass and Optical Crystals." Laser & Photonics Reviews, 24 May 2025.
DOI:10.1002/lpor.202500047.
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