微红外光学器件中红外玻璃的新型制造方法

图1 研究人员使用这一新型制造方法制造了各种硫族红外玻璃与熔融石英玻璃结合的结构，包括一组大小不同的微柱；上图中的白色虚线矩形内是工作中用到的最小硅腔

研究人员开发了一种新的制造工艺，使用红外玻璃和另外一种玻璃制造复杂的微型形状。该技术可用于制造复杂的红外光学系统，使红外成像和传感技术更为普及。

瑞士洛桑理工学院的研究团队负责人Yves Bellouard说：“许多引用中都需要用到能透过红外波长的玻璃，比如用来鉴别不同材料、物质的光谱技术。然而，红外玻璃很难制造，非常易碎，且受潮时易损坏。”

研究人员在发表于Optics Express上的一篇论文中描述了这一新技术；借助这一技术，能将易碎的红外玻璃嵌入耐用的二氧化硅中，几乎能用来制造任意相互连接的三维形状，尺寸可到微米或更小。这一技术适用于各种玻璃，通过对不同玻璃的组合，设计出不同的3D光学性能。

“我们的技术打开了制造新型光学器件的大门，借助这一技术，能设计出红外光学电路，以及以往因红外玻璃工艺性太差、而不可能实现的任意形状红外微光学系统。”Enrico Casamenti说道，他是本文的第一作者。“比如，用于光谱成像和遥感应用的红外微光学系统、能集成在智能手机中的红外相机等。”

将不同材料结合在一起

这种新的制造工艺来源于此前Bellouard的研究团队与同属瑞士洛桑理工学院的Andreas Mortense的团队合作开发的一种在3D硅衬底内制造高导电性金属的方法。

图2 该团队以瑞士洛桑理工学院logo的制作为例，展示了使用这一技术制作复杂3D形状的过程。上方图片是暗场照明下的形状，下方图片是明场照明下的形状

Bellouard说：“我们的团队开始寻求创新方法，在任意形状的3D光学电路中实现宽带光限制。从那时起，我们决定探索修改我们首次使用金属演示的工艺的可能性，这样它就可以用来生产结合两种玻璃的结构。”

在这一新方法中，研究人员首先使用飞秒激光辅助化学蚀刻技术，在熔融硅玻璃衬底中制造出一个任意形状的3D空腔。具体实现方法为：利用飞秒激光的脉冲光束（能聚焦至直径约1微米的光斑）来改变玻璃的结构，使照射后的区域能用氢氟酸等化学物质去除。

去除之后，使用另一种材料填充这些微小空腔，从而制造出一种复合结构；这一点通过使用一种微型压力辅助铸造技术实现，在这一技术中，第二种材料被熔化、加压，继而流入被刻蚀的硅腔网络中并凝固。第二种材料可以是金属、玻璃或任何熔点低于雕刻硅衬底、且不会与硅玻璃发生反应的材料。

制造复杂光学结构

Bellouard说：“这一制造方法可用于保护红外玻璃，为完全集成于另一种玻璃基板上的微红外光学电路提供了制作方法。此外，由于熔融二氧化硅和硫族化合物具有高折射率对比度，我们能将这些材料制成像光纤一样传输光线的红外波导。”

研究人员使用硫族红外玻璃和硅玻璃基地制作了各种复杂的形状（例如图2 中瑞士洛桑理工学院的logo），对这一新方法进行了演示。苏黎世联邦理工学院同事的帮助下，他们创造的一些结构可以有效地用于引导8微米级联量子激光器所发出的中红外光。此前，由于制造困难，很少有光学元件能够在这一光谱范围下工作。

研究团队正在持续探索新工艺结合不同玻璃的能力，并计划在光谱学等应用中测试复合部件。