利用飛秒激光直寫技術(shù)制備微光學(xué)元件和系統(tǒng)的研究進(jìn)展

飛秒激光直寫是利用飛秒激光的超快脈沖和超強(qiáng)瞬時能量進(jìn)行微納米加工的技術(shù)。它具有超衍射極限的加工精度、豐富的可加工材料，非線性多光子吸收等多種優(yōu)異特性，使其在三維微納米制造中具有獨特的優(yōu)勢，可以滿足對具有復(fù)雜表面輪廓和納米級表面粗糙度的微光學(xué)元件和立體系統(tǒng)的加工需求。本文綜述了近年來利用飛秒激光直寫技術(shù)制備微光學(xué)元件和系統(tǒng)的研究進(jìn)展，并對飛秒激光直寫微光學(xué)元件的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)和展望。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，對具有復(fù)雜表面輪廓、納米級表面粗糙度的成像和非成像微光學(xué)元件的需求日益劇增，這推動了各種微納米加工技術(shù)的發(fā)展。飛秒激光直寫作為一種常用的微納米立體結(jié)構(gòu)加工方式具有其獨特的優(yōu)勢：

1、飛秒激光直寫具有超越衍射極限的加工精度，能滿足微光學(xué)元件表面精度和粗糙度的要求；

2、飛秒激光具有穿透表面進(jìn)行真三維加工的能力，可以制作各種復(fù)雜光學(xué)元件和立體系統(tǒng)；

3、飛秒激光直寫可加工材料種類豐富，包括聚合物、金屬、陶瓷和硬脆材料(玻璃、藍(lán)寶石)等。

本文總結(jié)了近年來利用飛秒激光直寫技術(shù)制備微光學(xué)元件和系統(tǒng)的研究進(jìn)展，對飛秒激光直寫的三種典型加工方式、提高加工性能的方法和各種加工材料進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并重點聚焦了飛秒激光直寫技術(shù)在各種成像/非成像微光學(xué)元件及其立體系統(tǒng)的應(yīng)用。最后對飛秒激光直寫微光學(xué)元件的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

飛秒激光直寫技術(shù)

飛秒激光直寫系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。以此為基礎(chǔ)，飛秒激光直寫可以分為雙光子聚合，激光燒蝕和激光改性三種不同的加工方式。雙光子聚合是一種利用超快飛秒激光與聚合材料作用實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)精確控制的技術(shù)。雙光子吸收的非線性效應(yīng)使其具有超過衍射極限的加工精度。

激光燒蝕是利用飛秒激光超高峰值強(qiáng)度和超短脈沖寬度來實現(xiàn)的。在激光燒蝕過程中，飛秒激光誘導(dǎo)材料快速電離，產(chǎn)生高溫、高壓、高密度的等離子體，實現(xiàn)材料的非熱燒蝕，形成燒蝕點凹陷。激光改性是指飛秒激光在致密結(jié)構(gòu)材料內(nèi)聚焦時，使聚焦區(qū)域內(nèi)材料在吸收能量后某些性質(zhì)如折射率、非線性系數(shù)、熒光信號等發(fā)生變化。激光改性不改變材料的形狀，是飛秒激光直寫的一種獨特的加工方式。

圖 1：飛秒激光直寫系統(tǒng)及雙光子聚合、激光燒蝕、激光改性加工原理。

適合飛秒激光直寫的加工材料也可以根據(jù)上述三種加工原理對應(yīng)分為三類，如圖2所示。值得注意的是：適用于一種材料的加工方法不止一種，需要根據(jù)材料特性和目標(biāo)精度的要求選擇合適的加工方式及相應(yīng)的輔助方法。

圖2：加工材料分類及輔助方法

飛秒激光直寫一般為單點掃描加工方式，加工效率低下。為此可以采用一些優(yōu)化方法提高加工效率，如高速體素調(diào)制掃描(HVLS)、多點并行加工(MSPP)、無掩膜投影光刻(MLOP-NL)和復(fù)合3D打印方法等，這些方法從調(diào)控體素的大小、增加光斑的數(shù)量和結(jié)合多種加工方法等方面對飛秒激光加工效率進(jìn)行提升。

飛秒激光直寫微光學(xué)元件和立體系統(tǒng)

基于上述一系列的加工優(yōu)勢，飛秒激光直寫技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于制造各種成像/非成像微光學(xué)元件和立體系統(tǒng)。其中，微光元件根據(jù)其對光的控制能力可分為折射、反射、衍射和混合原理微光學(xué)元件。光學(xué)元件之間可以通過輔助結(jié)構(gòu)形成具有豐富功能的立體光學(xué)系統(tǒng)。

圖3：微光學(xué)元件及光學(xué)系統(tǒng)中的輔助結(jié)構(gòu)

基于微光學(xué)元件形成的立體系統(tǒng)有幾種典型的成像/非成像應(yīng)用。成像應(yīng)用包括集成成像系統(tǒng)、結(jié)合微流體的成像系統(tǒng)、光存儲成像系統(tǒng)等。如Hua Liu課題組基于混合3D打印技術(shù)，利用SU-8和PDMS材料設(shè)計并加工了結(jié)合微流體的成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微通道、濾波結(jié)構(gòu)、集流結(jié)構(gòu)和雙曲成像透鏡組成，在多粒徑顆粒的過濾和采集顆粒的實時成像方面具有優(yōu)異的性能。非成像應(yīng)用包括光調(diào)制系統(tǒng)、光譜檢測系統(tǒng)和基于波導(dǎo)的光子芯片系統(tǒng)等。如Christian Koos團(tuán)隊利用雙光子聚合制造用于裝配先進(jìn)光子系統(tǒng)的微透鏡。他們在光子芯片和光纖表面印刷微透鏡，發(fā)射的光束經(jīng)微透鏡調(diào)制成大直徑的光斑，從而允許較大的軸向和橫向?qū)?zhǔn)公差，避免了使用昂貴的有源對準(zhǔn)方法。

圖4：微光學(xué)立體系統(tǒng)成像應(yīng)用

總結(jié)和展望

飛秒激光直寫技術(shù)展現(xiàn)出了可加工復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的真三維加工能力、可加工材料的多樣性及超越衍射極限的加工精度等加工優(yōu)勢，能夠滿足微光學(xué)元件的加工要求。目前，研究人員基于飛秒激光直寫技術(shù)加工了各種微光學(xué)元件和系統(tǒng)，實現(xiàn)了各種尖端應(yīng)用。然而，面向未來，飛秒激光直寫技術(shù)仍然面臨諸多挑戰(zhàn)：

1，開發(fā)高效的飛秒激光加工方法。通過飛秒激光直寫加工的立體系統(tǒng)包含多個光學(xué)元件和輔助結(jié)構(gòu)，極大增加了加工時間。因此飛秒激光的加工效率還有待進(jìn)一步提升，需要開發(fā)更高效的加工方法，如增材與減材制造相結(jié)合、單點掃描與全息光調(diào)制相結(jié)合等。

2，發(fā)展各種多功能立體光學(xué)系統(tǒng)。如由不同材料加工形成的多材料光學(xué)系統(tǒng)，可以提供更大的折射率范圍、更低的色散、更高的非線性效應(yīng)等；與微流控和柔性變形材料相結(jié)合的多維度微光學(xué)系統(tǒng)，可實現(xiàn)焦距可調(diào)、多功能成像等性能；與其他系統(tǒng)(如電氣系統(tǒng)等)靈活集成的多系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)，可實現(xiàn)豐富的拓展性功能等。

綜上，為了在未來微型化器件的極小空間內(nèi)實現(xiàn)各種成像/非成像功能，微光學(xué)元件將繼續(xù)向立體集成方向發(fā)展。因此，進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)飛秒激光直寫技術(shù)，以開發(fā)多材料、多維度、多系統(tǒng)立體光學(xué)系統(tǒng)，對于實際和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。







審核編輯：劉清