利用飞秒激光直写技术制备微光学元件和系统的研究进展

飞秒激光直写是利用飞秒激光的超快脉冲和超强瞬时能量进行微纳米加工的技术。它具有超衍射极限的加工精度、丰富的可加工材料，非线性多光子吸收等多种优异特性，使其在三维微纳米制造中具有独特的优势，可以满足对具有复杂表面轮廓和纳米级表面粗糙度的微光学元件和立体系统的加工需求。本文综述了近年来利用飞秒激光直写技术制备微光学元件和系统的研究进展，并对飞秒激光直写微光学元件的未来发展趋势进行了总结和展望。

随着现代信息技术的发展，对具有复杂表面轮廓、纳米级表面粗糙度的成像和非成像微光学元件的需求日益剧增，这推动了各种微纳米加工技术的发展。飞秒激光直写作为一种常用的微纳米立体结构加工方式具有其独特的优势：

1、飞秒激光直写具有超越衍射极限的加工精度，能满足微光学元件表面精度和粗糙度的要求；

2、飞秒激光具有穿透表面进行真三维加工的能力，可以制作各种复杂光学元件和立体系统；

3、飞秒激光直写可加工材料种类丰富，包括聚合物、金属、陶瓷和硬脆材料(玻璃、蓝宝石)等。

本文总结了近年来利用飞秒激光直写技术制备微光学元件和系统的研究进展，对飞秒激光直写的三种典型加工方式、提高加工性能的方法和各种加工材料进行了详细介绍，并重点聚焦了飞秒激光直写技术在各种成像/非成像微光学元件及其立体系统的应用。最后对飞秒激光直写微光学元件的未来发展趋势进行了展望。

飞秒激光直写技术

飞秒激光直写系统的示意图如图1所示。以此为基础，飞秒激光直写可以分为双光子聚合，激光烧蚀和激光改性三种不同的加工方式。双光子聚合是一种利用超快飞秒激光与聚合材料作用实现三维微结构精确控制的技术。双光子吸收的非线性效应使其具有超过衍射极限的加工精度。

激光烧蚀是利用飞秒激光超高峰值强度和超短脉冲宽度来实现的。在激光烧蚀过程中，飞秒激光诱导材料快速电离，产生高温、高压、高密度的等离子体，实现材料的非热烧蚀，形成烧蚀点凹陷。激光改性是指飞秒激光在致密结构材料内聚焦时，使聚焦区域内材料在吸收能量后某些性质如折射率、非线性系数、荧光信号等发生变化。激光改性不改变材料的形状，是飞秒激光直写的一种独特的加工方式。

图 1：飞秒激光直写系统及双光子聚合、激光烧蚀、激光改性加工原理。

适合飞秒激光直写的加工材料也可以根据上述三种加工原理对应分为三类，如图2所示。值得注意的是：适用于一种材料的加工方法不止一种，需要根据材料特性和目标精度的要求选择合适的加工方式及相应的辅助方法。

图2：加工材料分类及辅助方法

飞秒激光直写一般为单点扫描加工方式，加工效率低下。为此可以采用一些优化方法提高加工效率，如高速体素调制扫描(HVLS)、多点并行加工(MSPP)、无掩膜投影光刻(MLOP-NL)和复合3D打印方法等，这些方法从调控体素的大小、增加光斑的数量和结合多种加工方法等方面对飞秒激光加工效率进行提升。

飞秒激光直写微光学元件和立体系统

基于上述一系列的加工优势，飞秒激光直写技术已被广泛应用于制造各种成像/非成像微光学元件和立体系统。其中，微光元件根据其对光的控制能力可分为折射、反射、衍射和混合原理微光学元件。光学元件之间可以通过辅助结构形成具有丰富功能的立体光学系统。

图3：微光学元件及光学系统中的辅助结构

基于微光学元件形成的立体系统有几种典型的成像/非成像应用。成像应用包括集成成像系统、结合微流体的成像系统、光存储成像系统等。如Hua Liu课题组基于混合3D打印技术，利用SU-8和PDMS材料设计并加工了结合微流体的成像系统。该系统由微通道、滤波结构、集流结构和双曲成像透镜组成，在多粒径颗粒的过滤和采集颗粒的实时成像方面具有优异的性能。非成像应用包括光调制系统、光谱检测系统和基于波导的光子芯片系统等。如Christian Koos团队利用双光子聚合制造用于装配先进光子系统的微透镜。他们在光子芯片和光纤表面印刷微透镜，发射的光束经微透镜调制成大直径的光斑，从而允许较大的轴向和横向对准公差，避免了使用昂贵的有源对准方法。

图4：微光学立体系统成像应用

总结和展望

飞秒激光直写技术展现出了可加工复杂三维结构的真三维加工能力、可加工材料的多样性及超越衍射极限的加工精度等加工优势，能够满足微光学元件的加工要求。目前，研究人员基于飞秒激光直写技术加工了各种微光学元件和系统，实现了各种尖端应用。然而，面向未来，飞秒激光直写技术仍然面临诸多挑战：

1，开发高效的飞秒激光加工方法。通过飞秒激光直写加工的立体系统包含多个光学元件和辅助结构，极大增加了加工时间。因此飞秒激光的加工效率还有待进一步提升，需要开发更高效的加工方法，如增材与减材制造相结合、单点扫描与全息光调制相结合等。

2，发展各种多功能立体光学系统。如由不同材料加工形成的多材料光学系统，可以提供更大的折射率范围、更低的色散、更高的非线性效应等；与微流控和柔性变形材料相结合的多维度微光学系统，可实现焦距可调、多功能成像等性能；与其他系统(如电气系统等)灵活集成的多系统光学系统，可实现丰富的拓展性功能等。

综上，为了在未来微型化器件的极小空间内实现各种成像/非成像功能，微光学元件将继续向立体集成方向发展。因此，进一步优化和改进飞秒激光直写技术，以开发多材料、多维度、多系统立体光学系统，对于实际和工业应用至关重要。







审核编辑：刘清