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摘要
高功率激光系统日益依赖多光束加工来提高制造吞吐量。然而，传统的多焦点系统仍然受限于笨重的架构、严格的对准要求以及在高强度辐照下对激光诱导退化的敏感性。在此，我们展示了一种孔径为7.2 mm的单片多焦点金刚石超透镜，它保持了优异的热稳定性和功率耐受性。该器件采用高纵横比截顶锥形金刚石纳米柱，在4 mm焦距处产生间隔200 μm的两个焦点。在持续1小时的25 W脉冲激光辐照下，金刚石超透镜仅表现出25.5 μm的焦点偏移，导致在4H碳化硅激光划片期间最大加工深度变化为33.2 μm，远低于商用物镜与分束衍射光学元件组合观察到的319.1 μm偏差。即使在极端光负载下，超透镜也能承受高达8.25 kW的连续波激光辐照30秒而不发生结构退化，同时补充脉冲测试得出金刚石的激光诱导损伤阈值为2.45 J/cm²。本工作将透射超光学的工作范围扩展到极端光负载，为高功率光子系统开辟了新的机遇。
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文章名：Monolithic Multifocal Diamond Metalens for High Power Laser Systems
作者：Xiaoxuan Li1, Xiaoyu Sun1, Ce Li2, Zhiqiang Xie4, Fengjiang Liu5, Boqu Chen1, Ding Zhao2*, Kaikai Du3*, and Min Qiu1,2*
单位：1. Zhejiang Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization, Department of Electronic and Information Engineering, School of Engineering, Westlake University, Hangzhou, Zhejiang 310030, China.
2. Westlake Institute for Optoelectronics, Fuyang, Hangzhou, Zhejiang 311400, China
3. Moldnano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 311100, China
4. School of Future Technology, Shenzhen Technology University, Shenzhen 518055, Guangdong, China.
5. Westlake Instruments (Hangzhou) Technology Co., Ltd., Hangzhou 310027, China
正文
高功率激光因其卓越的能量密度和加工精度，已成为先进制造[1-5]、医疗手术[6-9]、通信[10,11]和传感[12,13]、国防[14,15]、航空航天[16,17]以及高能物理[18,19]等领域不可或缺的工具。随着工业激光应用对更高吞吐量的持续需求，多光束加工已成为克服传统系统效率限制的有效策略[20-24]。现有的多焦点技术主要依赖三种方法，包括分立光学组件[25]、衍射光学元件[26]和空间光调制器[27,28]。尽管这些方法提供了分束功能，它们仍然依赖外部笨重的聚焦光学元件，增加了整体系统复杂性。通过混合DOE-微透镜的进一步小型化减少了整体系统体积[29]，但它需要严格的对准以保持焦点均匀性[30]。
超表面通过将分束和聚焦集成在单个平面架构中提供了自然解决方案，因此成为多通道信息处理[31-34]和高通量制造[35,36]的有吸引力的平台。然而，在高功率激光系统中部署超表面仍然具有挑战性，因为光学吸收不可避免地会诱导热积累，这会使波前扭曲甚至导致不可逆的器件损伤。此外，透射光学尤其脆弱，因为吸收发生在整个衬底中，发热体积比反射光学大两个数量级以上。为了解决这个问题，我们之前的工作验证了SiC作为在单焦点超透镜中融合光学功能与热管理的有效材料[37,38]。然而，在多个焦点实现有用的功率通常要求器件处理更高的总光功率，从而对热稳定性和抗损伤性施加更严格的要求。因此，单晶金刚石代表了一种更有前景的材料，因为它在室温下结合了大约五倍于SiC[38,39]的超高热导率，同时具有更低的热膨胀[40,41]、更小的热光系数[40,42]和优异的LIDT[43]。尽管具有这些理想特性，但其极高的硬度和化学惰性使得高纵横比纳米加工具有挑战性，这阻碍了金刚石光学的发展。最近的进展已开始克服这些制造障碍，展示了用于量子发射收集[44]、反射镜[45]和在极端温度下稳定运行的超表面[40,46,47]的功能性金刚石纳米结构。然而，将单晶金刚石转化为用于高功率多焦点激光系统的大孔径透射超光学（其中强辐照要求同时具有波前保真度和抗损伤性）在很大程度上仍未得到探索。
在此，我们报告了一种为高功率并行激光加工设计的单片多焦点金刚石超透镜。与传统配置相比，金刚石超透镜减少了光学占地面积和对准复杂性，同时保持了热稳定性和对极端功率的优异耐受性。该超透镜孔径为7.2 mm，是迄今为止报道的最大金刚石超透镜，展示了金刚石纳米加工在实际高功率光学中的可扩展性。通过图案化具有空间变化半径的高纵横比金刚石纳米柱，该器件在4 mm焦距处产生间隔200 μm的双焦点。为了验证其在工业级负载下的性能，我们将金刚石超透镜和配备分束DOE以提供相同功能的传统物镜暴露在25 W、1 MHz激光下1小时。金刚石超透镜表现出25.5 μm的焦点偏移，而物镜显示出显著更大的121.9 μm偏移。在半绝缘4H-SiC的激光划片过程中，物镜产生的改性深度变化为319.1 μm，而金刚石超透镜保持了小得多的33.2 μm变化。对于更广泛的操作，其在极端连续波和脉冲条件下的功率处理能力被评估。在8.25 kW的CW功率下，超透镜承受了30秒的照射而没有任何结构退化。此外，在高能脉冲辐照下，金刚石衬底表现出2.45 J/cm²的LIDT，超过了SiC的0.65 J/cm²值。这些结果将金刚石超光学确立为在极端光负载下波前控制的异常鲁棒平台。
结果
设计与原理
在实际激光加工中，保护光学元件免受烧蚀碎片污染需要长工作距离，这本质上决定了长焦距。为了便于与工业基准进行直接性能比较，金刚石超透镜被设计为复制商用物镜（PAL-50-NIR-HR-LC00）的规格，结合4 mm焦距和0.67的数值孔径。采用各向同性纳米柱以实现偏振不敏感操作，确保与未偏振工业激光源的兼容性。为了在目标波长1030 nm下工作，晶格常数固定为500 nm以严格满足Nyquist采样定理[48]，椭偏测量确认单晶金刚石的高折射率为2.41。尽管如此高的折射率有利于强相位约束，以在1400 nm纳米柱高度下确保0到2π相位覆盖，但纳米结构-空气界面处的严重折射率失配通常会引起菲涅耳反射，导致低聚焦效率。因此，采用截顶锥纳米柱几何结构，其特征是底面（R1）和顶面（R2）之间恒定的50 nm径向差（图1a），以从纳米结构到周围空气引入连续的有效折射率梯度。为了最大仿真保真度，反应离子刻蚀过程中通常在柱基周围形成的弯曲基脚被纳入计算模型。然后采用时域有限差分仿真评估作为R1函数的相位和透射率响应。如图1b所示，锥形设计实现了90.17%的高平均透射率，比其圆柱对应物高出6.67%。此外，模拟磁场分布显示光学能量被紧密限制在纳米柱内，表明相邻介电元件之间的光学耦合最小。
面向高吞吐量并行制造，超透镜被配置为通过叠加多个双曲波前来生成八通道焦点阵列（图1c）。在数学上，在 (x_i, y_i, f) 处生成单个焦点所需的相位分布表示为：
其中 f 是焦距，λ 是工作波长，(x_i, y_i) 表示焦点 i 的横向位置。N 焦点阵列的集体相位由所得复场的幅角给出：
在线性阵列配置中，焦点坐标参数化为：
其中 d 是相邻焦点之间的间距。宏观光学行为的建模依赖于将复用相位分布映射到基于傅里叶的传播框架中。为了计算效率，光场被直接传播到设计焦点平面附近，在那里进行精细步长轴向采样。模拟的 x-z 强度分布（图1d）在目标平面附近显示出八个清晰的焦点，在设计200 μm空间间隔下表现出高均匀性，从理论上验证了金刚石架构的精确波前调制。
图1. 多焦点金刚石超透镜的设计与数值模拟。 (a) 截顶锥形金刚石纳米柱阵列示意图。(b) 计算的相位覆盖（蓝色实线）以及锥形（红色实线）和圆柱形（红色虚线）纳米柱之间的透射率比较。曲线上绘制的点对应于八个选定纳米柱的半径。(c) 生成八通道焦点阵列的单片金刚石超透镜的概念示意图。(d) 通过傅里叶传播计算的多焦点阵列的模拟x-z平面强度分布。
金刚石超透镜的实验演示
为了在我们当前实验室激光功率下为材料改性保持足够的单焦点能量，我们采用了双焦点配置，并在1.5×1.5 cm的单晶金刚石衬底上制造了器件（图2a）。在结构上，深深刻蚀纳米柱的单片阵列使用双层硬掩模纳米制造工艺制造。此外，截顶锥几何结构通过精确的掩模轮廓工程成形，通过分段等离子体刻蚀策略实现向金刚石基体的深各向异性图案转移（详见方法）。光学显微镜捕获中心区域的超原子分布（图2b），扫描电子显微镜图像显示均匀的500 nm晶格周期和从0.36到0.844的八种不同占空比（图2c）。通过原子力显微镜在4×4 μm区域上的形貌轮廓测量建立了从纳米柱顶部到沟槽底部的1.393 μm垂直高度差（图2d）。结构验证确认了大孔径、高纵横比金刚石超透镜的可扩展制造，从而扩展了金刚石光学元件的设计自由度。
光学性能使用衰减的1030 nm激光束（扩展至8 mm直径）进行了实验表征。选择10×显微镜物镜因其宽视场，能够用CCD相机同时捕获两个焦点。超透镜安装在三维电动平移台上，以将其几何中心与光轴对准。当超透镜表面与显微镜焦平面重合时，z轴归零，然后平台轴向平移直到出现的焦点显示峰值强度（图2e），得到测量的焦距为4013 μm。基于2.4 μm CCD像素尺寸，从焦平面图像分析计算实际光斑间隔为201.61 μm，横截面轮廓确认了平衡的功率分配和接近高斯分布的轮廓（图2f）。随后使用100×物镜对单个焦点进行高分辨率表征。左焦点沿x轴的半高全宽为1.88 μm，沿y轴为2.84 μm，而右焦点对应值为1.88 μm和2.88 μm。x-y不对称性主要归因于表征装置中光轴的轻微未对准，双焦点配置对此高度敏感。为了进一步检查高阶衍射，在超透镜以50 μm/s的速率在5000 μm范围内轴向平移时连续记录透射场。得到的归一化x-z强度图（图2g）未显示可观察的二级衍射级。总体而言，测量性能与设计目标吻合良好，确认了金刚石平台的高保真波前调制和优越的聚焦能力。
随后，通过使用1030 nm脉冲激光（10 ps，1 MHz，25 W）在半绝缘4H-SiC上进行激光划片，进一步评估了超透镜在实际激光加工中的能力。单次线性平移产生了两条平行的改性轨迹，测量间隔为200.62 μm（图2h），验证了理论上相比传统单光束扫描使吞吐量加倍的并行加工方法。此外，通过围绕光轴旋转超透镜，轨迹之间的间隔可从0到200 μm连续调谐，实现了加工几何结构的动态调整。
图2. 双焦点金刚石超透镜的制造与光学表征。 (a) 制造器件的照片，有效孔径为7.2 mm。刻度尺每格0.5 mm。(b) 制造超表面的光学显微镜图像。(c) 金刚石纳米柱阵列的代表性40°倾斜SEM图像。(d) 金刚石纳米柱的AFM形貌测量。(e) 测量的双焦点x-y平面强度分布。(f) 从(e)提取的相应横截面强度分布。黑点代表实验数据，实线表示洛伦兹拟合。(g) 沿传播方向测量的x-z平面强度分布（超透镜表面位于z=0）。(h) 半绝缘4H-SiC衬底上平行改性轨迹的俯视光学显微镜图像。
器件对长时间高功率激光辐照（1 MHz，25 W）的响应与配备分束DOE的商用物镜进行了系统比较。使用红外热像仪监测温度。由于单晶金刚石在红外热成像波段内高度透明，直接热成像易受背景辐射影响而不准确。因此，按照广泛使用的间接温度测量方法[49-51]，将黑色电工胶带（发射率=0.95）贴在组件表面（图3a）。如时间分布所示（图3b），物镜在1小时照射期间表现出持续的升温趋势，最终达到34.7 °C的温升，而金刚石超透镜在10分钟内达到温度稳定，将总增量限制在仅9.0 °C。得益于其低光学吸收和25 °C下2245 W/(m·K)的超高热导率（通过激光闪光分析测量），金刚石超透镜有效耗散了激光诱导的热量并抑制了热积累。通常，热积累会引起焦平面漂移，研究了其对焦点偏移的影响。CCD相机的成像平面锁定在初始焦点位置以捕获焦点漂移。如图3c所示，商用物镜的焦点遭受严重散焦，由于热畸变几乎不可见。相比之下，金刚石超透镜的两个焦点仍然清晰定义，表明其在激光操作期间对热扰动的抵抗能力。为了量化，通过轴向移动电动平移台以重新定位峰值强度平面，每5分钟跟踪焦点偏移，记录的平台位移代表焦点漂移幅度（图3d）。在1小时照射期间，物镜遭受121.9 μm的严重焦点偏移，而金刚石超透镜由于最小化的温升和低热膨胀系数，将该偏差限制在仅25.5 μm。金刚石超透镜在双焦点配置下长时间操作的功能稳定性通过3小时应力测试进一步验证，未观察到焦点位置或能量分布均匀性的可观察退化，确认了架构的鲁棒操作保真度。
随后将半绝缘4H-SiC样品安装在电动平移台上，进行激光划片实验以评估超透镜的实际加工性能。在每次激光划片实验前，在显微镜系统引导下进行精确对准，将样品表面定位在相应的焦平面。每次划片在1小时期间每5分钟重复一次，开始时将衬底放置在焦点区域之外，然后以5 mm/s沿x轴平移，直到激光完全扫过样品表面。通过光学显微镜检查样品边缘的激光诱导改性轨迹。如图3e所示，物镜产生的改性轨迹随时间逐渐向样品内部移动，证明了加工平面的显著偏移。然而，金刚石超透镜产生的轨迹保持基本恒定的深度。这里，将加工深度定义为从SiC样品表面到改性轨迹底端的距离，我们测量了其作为激光照射时间的函数（图3f）。1小时后，物镜表现出从130.8 μm到449.9 μm的深度偏移，而超透镜仅引起33.2 μm的变化。样品表面的俯视图也显示，物镜产生的划片轨迹随时间逐渐模糊，而超透镜产生的轨迹始终保持清晰锐利。因此，通过固有地抵抗热漂移，单片金刚石超透镜为高吞吐量并行激光加工建立了一个高度鲁棒和集成的平台。
图3. 物镜与金刚石超透镜之间长期稳定性的比较评估。 激光以25 W功率、1 MHz重复率和10 ps脉冲持续时间运行。(a) 1小时照射期间物镜和金刚石超透镜的红外热成像图像。对于物镜，上和下温度标记分别表示物镜表面温度和黑色涂覆DOE支架的表面温度。(b) 相应的温升曲线作为照射时间的函数。(c) 在1小时照射期间在固定CCD平面记录的两个透镜的焦点。所有比例尺表示50 μm。(d) 两个透镜的轴向焦点偏移作为照射时间的函数。(e) 1小时照射期间比较物镜和金刚石超透镜的4H-SiC边缘划片轨迹侧视图。所有比例尺表示50 μm。样品每5分钟移动400 μm以避免连续划片道次的两个焦点之间的重叠。(f) 加工深度作为照射时间的函数。绘制的深度代表两条轨迹的平均值，误差条表示范围。
除了长期操作稳定性外，在高功率激光系统中的实际部署还要求光学元件能够承受极端光负载。为此，金刚石超透镜暴露在千瓦级连续波激光辐照下。为了进行定性的材料级比较，选择了TiO₂涂覆玻璃样品作为参考，因为它被广泛用于介电超透镜。两种样品在相同的水冷安装条件下进行测试（图4a）。入射激光束在样品平面上的直径为2 mm。下游的高功率计监测透射光束，而配备光学滤波器的侧视成像系统实现了实时观察。如图4b所示，金刚石超透镜在8.25 kW CW激光照射30秒后没有显示出可检测的激光诱导损伤迹象，对应于263 kW/cm²的平均入射功率密度。相比之下，TiO₂涂覆玻璃参考在1秒内发生灾难性失效，伴随照射区域的大面积熔化。由于焦平面处极高的功率密度和相关损坏检测光学器件的风险，无法进行焦点场测量。由于光学相位由纳米柱几何结构编码，使用辐照后的光学显微镜和SEM评估相位结构的完整性。在辐照的纳米柱中未观察到熔化、变形或塌陷，表明金刚石超透镜在千瓦级CW辐照下的器件级结构鲁棒性。
随后进行了标准化脉冲LIDT测量，以定量评估单晶金刚石的抗损伤性。由于我们之前的工作已确立SiC作为高功率超透镜的热鲁棒平台[37]，选择半绝缘4H-SiC作为参考材料。两种材料均按照ISO 21254在相同的脉冲照射条件（1064 nm，10 ns，10 Hz）下使用“10-ON-1”协议进行评估，光束直径为256.1 μm。线性拟合确定金刚石的LIDT为2.45 J/cm²，显著高于4H-SiC测量的0.65 J/cm²（图4c）。作为额外的工程基准，上述商用物镜在可比纳秒照射条件（1064 nm，10 ns，20 Hz）下的标称LIDT为0.2 J/cm²[52]。尽管重复率的差异阻止了直接数值比较，但巨大的差异仍然表明了金刚石的非凡耐久性。总的来说，这些发现将透射金刚石超透镜定位为极端光学环境中波前工程的鲁棒平台，有可能弥合超表面研究与涵盖精密制造、非线性光学和高能光子学的实际高功率激光应用之间的差距。
图4. 金刚石超透镜的极端功率耐受性。 (a) CW激光照射实验装置示意图。(b) 安装在冷却台上的金刚石超透镜（上）和TiO₂涂覆玻璃（下）在暴露于8.25 kW、1080 nm激光束之前、期间和之后拍摄的照片。TiO₂涂覆玻璃用作代表性介电平台。(c) 单晶金刚石和半绝缘4H-SiC在脉冲激光照射（1064 nm，10 ns，10 Hz）下的LIDT测量。
讨论
总之，我们通过将分束和聚焦集成在单个透射超表面中，开发了一种用于高功率激光加工的单片金刚石超透镜。扁平结构设计显著减少了器件体积和复杂性，为系统小型化提供了巨大潜力。得益于单晶金刚石的优异热导率、低热光系数和高激光损伤阈值，所提出的器件提供了卓越的热稳定性和抗激光损伤能力。制造的超透镜成功产生了两个高质量焦点，具有可控的投影焦点间距。在连续25 W激光照射下，金刚石超透镜表现出最小的热诱导焦点偏移，导致在4H-SiC激光划片期间加工深度变化仅为33.2 μm，几乎比商用物镜与分束DOE组合小一个数量级。加上其创纪录的7.2 mm孔径、8.25 kW CW辐照下的卓越功率耐受性，以及2.45 J/cm²的脉冲LIDT，本工作为透射金刚石超光学在高要求激光应用中提供了一条可行途径，其中可以在热稳定性和功率耐受性同时实现复杂的波前控制。
尽管锥形纳米柱几何结构旨在增强图案化表面的透射并从而提高整体效率，但来自相对表面的菲涅耳反射仍然不可避免。在金刚石衬底背面集成蛾眼抗反射纳米结构将提高聚焦效率，同时保持处理高光功率的能力。此外，半导体兼容制造工艺为可扩展和成本效益高的制造提供了途径，例如通过纳米压印光刻随后进行图案转移刻蚀。所提出的范式可以扩展到更广泛的高光功率紧凑器件，包括脉冲压缩光栅和偏振器，这可能有助于解决激光制造、医疗技术、高能物理和航空航天应用中的关键挑战。
方法
金刚石超透镜制造
金刚石超透镜的制造始于市售0.5 mm厚的单晶金刚石衬底。湿法清洗后，通过等离子体增强化学气相沉积沉积50 nm厚的二氧化硅薄膜作为中间硬掩模层。通过旋涂电子束光刻胶来描绘具有空间变化半径的圆形纳米柱阵列，然后通过电子束光刻进行曝光。显影后，SiO₂层进行短暂的感应耦合等离子体预刻蚀步骤以优化结构边缘轮廓，确保后续剥离的高保真度。然后通过电子束蒸发沉积铬膜，随后进行剥离以定义金属掩模。所得金属图案使用二次ICP刻蚀工艺转移到SiO₂层中。在该刻蚀阶段精确调节气体混合比、腔室压力和射频功率，使得能够在SiO₂掩模中形成所需的锥形侧壁轮廓。接下来，使用O₂/Ar等离子体化学对金刚石衬底进行深各向异性刻蚀。为了达到超过1 μm的纳米柱高度，在相同等离子体条件下实施两步刻蚀策略。分段常规有效抑制了非挥发性反应副产物的积累，防止了长时间内刻蚀速率的减速。制造以复合硬掩模的依次去除结束：使用商用刻蚀剂剥离残余Cr，然后在缓冲氧化物刻蚀剂（BOE；40% NH₄F和49% HF，体积比6:1）中浸泡30秒以完全清除残留的SiO₂层，得到最终的单片金刚石超透镜。
表征
制造的金刚石超透镜的形貌和结构参数使用SEM（Zeiss Gemini500）进行表征，纳米柱的高度使用AFM（Bruker Dimension Icon）在轻敲模式下测量。焦点使用CCD相机（Sony E31SPM）记录。超透镜和传统物镜的表面温度使用红外热像仪（HIKMICRO H21ProS+）监测。为了绘制轴向焦点演化，在超透镜通过定位精度为2 μm的电动平台沿光轴平移时连续记录透射光场。在高功率CW激光测试期间，水冷平台使用冷却液维持在24°C。
