研究人員在項(xiàng)目中利用glass-in-glass工藝制作了EPFL標(biāo)志，以展示該方法如何制作復(fù)雜的3D形狀。上圖展示了暗場照明，下圖為明場照明。

硫系玻璃以硫、碲和硒等硫系元素的各種組合為基礎(chǔ)，憑借其寬紅外透射窗口和潛在的非線性特性，成為一種極具吸引力的光學(xué)材料。

不過，它們的機(jī)械性能以及化學(xué)和環(huán)境穩(wěn)定性通常較差，因此，制造硫系玻璃的3D微結(jié)構(gòu)仍然存在挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的一個(gè)研究項(xiàng)目開發(fā)出了一種被稱為“glass-in-glass”的制造方法，可以用于3D幾何復(fù)雜的硫系-二氧化硅微玻璃復(fù)合材料，以滿足紅外成像和傳感應(yīng)用需求。

這項(xiàng)研究成果近期發(fā)表于Optics Express期刊，該制造方法通過在熔融二氧化硅模具內(nèi)構(gòu)建成型的3D空腔，然后填充硫系玻璃，從而創(chuàng)建與雕刻二氧化硅模具結(jié)構(gòu)形狀匹配的結(jié)構(gòu)。

EPFL研究人員Enrico Casamenti介紹說：“我們的制造方法有望為全新的光學(xué)元件打開大門，用于制造紅外光學(xué)電路和任意形狀的紅外微光學(xué)元件。由于紅外玻璃的可制造性較差，這在以前是無法實(shí)現(xiàn)的。”

EPFL稱，熔融二氧化硅和硫系元素這兩種材料，提供了一種高折射率對(duì)比組合。除了其特定的光學(xué)特性，熔融二氧化硅還可以為硫系微結(jié)構(gòu)提供耐化學(xué)性、機(jī)械支撐和保護(hù)，并且其本身可能還包含集成和封裝所需要的其他特性。

中紅外光學(xué)應(yīng)用

受金屬滲透技術(shù)啟發(fā)，該制造方法首先使用飛秒激光將3D圖案刻入熔融二氧化硅，然后進(jìn)行濕法化學(xué)蝕刻去除激光輻照區(qū)域。然后，在加壓惰性氣體的幫助下，將熔融的硫系玻璃滲透到基板腔體中。

研究論文顯示，用這種方法生產(chǎn)的最小結(jié)構(gòu)尺寸為30微米，不過，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)（如滲透過程中使用的壓力或滲透劑的粘度），有望進(jìn)一步突破尺寸限制。相同的工藝被證明也可以用于銀和金等潤濕性差的金屬，滲入到特征尺寸約為2微米的玻璃模具中。

微滲透工藝示意圖。（A）用飛秒激光在熔融二氧化硅基板上雕刻3D圖案。（B）蝕刻玻璃基板以去除激光輻照區(qū)域。（C）基板至于腔室中，頂部有待滲透的玻璃，將腔室排空，并將溫度升高至滲透劑的轉(zhuǎn)變溫度以上。（D）加壓惰性氣體進(jìn)入腔室，在毛細(xì)管力的作用下將熔融玻璃推入基板中的空腔。（E）去除基板頂部剩余的玻璃滴后，獲得最終的glass-in-glass復(fù)合產(chǎn)品。

在試驗(yàn)中，為了驗(yàn)證這種新制造工藝，研究人員通過使用硫系紅外玻璃和硅玻璃基板構(gòu)建各種復(fù)雜的形狀，例如EPFL徽標(biāo)。在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）同行的幫助下證明，他們構(gòu)建的一些結(jié)構(gòu)可以有效地用于引導(dǎo)量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)出的中紅外光。

滲透到熔融二氧化硅中的各種硫系3D結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片

該項(xiàng)目的目標(biāo)之一是將此類光學(xué)元件用于中紅外波段的光源。由于該波段在生物成像方面的潛在用途，以及在該波段具有光譜響應(yīng)的化學(xué)物種的數(shù)量，中紅外波段光學(xué)元件一直是近階段的研究重點(diǎn)。

中紅外波導(dǎo)測試。（A）被測結(jié)構(gòu)（長約3.5 mm，橫截面約50 μm x? 50 μm）經(jīng)過精拋光用于測試的設(shè)置示意圖 。熱成像俯視圖（B）和側(cè)視圖（C），顯示被測樣品以及光束輸入和輸出。（D）多模波導(dǎo)輸出的準(zhǔn)直光束強(qiáng)度剖面圖。

Enrico Casamenti評(píng)論道：“例如，這些光學(xué)元件可以用于光譜學(xué)和傳感應(yīng)用，或者制造小到足以集成到智能手機(jī)中的紅外攝像頭。”

審核編輯 ：李倩