新激光方法制造3D光子部件

今年3月，德国弗劳恩霍夫组织下属的两个研究机构和马克斯普朗克集团的一个研究机构启动了联合项目“LAR3S”。近日，联合研究团队向外界透露，他们正在采用一种全新的方法，通过采用选择性激光诱导蚀刻和反向激光钻孔工艺，使用激光生产3D光子元件。一个关键目标是在很大程度上实现自动化的流程和程序。

参与“LAR3S”项目的研究机构分别是，麦克斯-普朗克光科学研究所（MPL）、弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）和弗劳恩霍夫硅酸盐研究所（ISC）。

微结构工业生产的新思路包括加工材料（如玻璃）的内部体积。为了加工玻璃的内部，激光辐射被用于穿透材料，从而可以加工各种各样的透明材料，在所有的三维物件中具有广泛的几何自由度。

然而参与项目研究的弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）表示，挑战在于细节。为了获得无裂纹和无断裂的结果，新研究首先需要详细了解材料特性和加工过程。在“LAR3S–激光生成的三维光子组件”项目中，项目研究团队希望利用其特殊的专有技术，扩展工艺知识，并开发利用激光制造各种三维结构的新技术。

在“LAR3S”项目中，3个研究机构联合研究具有新几何形状的中空结构纤维的预制件工艺

激光钻孔

30年前，生产全长有孔的玻璃纤维的想法被市场认为是无法实现的。由现任MPL名誉董事Philip Russell领导的一个团队开发了一种技术来实现这一点——将玻璃棒或玻璃管堆叠在一起，并拉伸到一定长度。

这就是今天如何绘制具有特定横截面的玻璃纤维，也称为堆叠和绘制过程。除其他外，结构化空心光纤可用于传输会破坏固体光纤的高强度激光束。当使用堆叠和拉伸方法时，结构纤维的构造通常限于六边形。ILT的工程师们开发了一种专利工艺即反向激光钻孔，可以完全自动制造更复杂的结构。

在这个过程中，激光束通过透明部件聚焦到后侧，并移动到用扫描仪烧蚀的表面上。在某种意义上，激光在玻璃上向后钻了一个孔。由于这一点，几乎任何具有大长径比的结构都可以引入到纤维坯料中，其他透明材料也没有问题。未来，这些结构将在计算机上用人工智能进行计算，并用激光技术直接制造。

ISC为项目带来了过程控制方面的关键能力，从钻孔中去除烧蚀的残留材料。为此，ISC和项目合作伙伴优化了激光参数，并开发用于过程优化的物理或化学方法。他们的目标是在200mm长的纤维预制件中创建具有定制分散特性的结构。

选择性激光诱导蚀刻可用于制造微谐振器，例如用于频率梳发生器。激光工艺可实现新的几何形状

选择性激光诱导蚀刻三维微结构

另一种可以增强微材料应用的工艺是选择性激光诱导蚀刻。在此过程中，超短脉冲激光用于构造无裂纹透明材料的体积和表面，从而改变其化学性质，以便以后可以对其进行选择性蚀刻。

当焦点在工件中偏转时，相邻区域被修改，可以在第二个工艺步骤中通过湿化学蚀刻去除。这一分为两部分的过程还为用户提供了高度的几何自由度。

项目合作伙伴希望最终的研究成果，能对激光微谐振器制造中的新几何形状实现工艺优化。例如，这种亚毫米结构可以用于电信和量子技术。作为耦合器、转换器或传感器，它们使光学元件能够进一步小型化和集成。