机械制造技术微盘(飞秒激光制备微光学元件及其应用)

随着现代工业与科学技术的发展，人们已经逐步进入到信息化时代。信息技术的快速发展要求一个完整的信息系统能在尽可能小的空间内实现尽可能多的功能，这就要求实现各种功能的器件尽可能地小，向小型化、微型化方向发展。微光学元件具有体积小、重量轻、设计制造灵活、制造成本低，并易于实现阵列化和批量化生产等优点，能够实现普通光学元件难以实现的功能，在光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术、光计算等领域具有重要的应用价值。

飞秒激光加工是一种无接触、高精度的微纳光电器件加工方法，具有环境要求低、对材料无选择性、加工灵活、精度高等特点，可以在几乎任意材料上实现超衍射极限和高复杂结构加工，极大丰富了微光学元件的制备种类。围绕飞秒激光加工技术，研究者们在各种材料表面、内部制备出了不同类型、不同功能的微光学元件，极大地推动了微光学的发展。

飞秒激光直写技术

飞秒激光直写技术的加工原理如图1所示，主要是通过一些光学元件将飞秒激光聚焦在材料表面或内部，配合三维位移平台，实现任意复杂结构的制备，CCD实时观察系统主要用来进行焦点对准和对加工过程进行实时观察。

图1飞秒激光直写技术加工示意图

飞秒激光直写加工一般包括：增加材料的双光子聚合加工和去除材料的烧蚀加工。在双光子加工中，单体聚合物只有在光子密度足够大的激光焦点才能同时吸收两个光子，实现聚合，如图2所示。2001年，Kawata等利用中心波长为800nm的飞秒激光制备了长为10μm、高为7μm的纳米牛，首次从实验上实现了突破光学衍射的超精细加工，加工分辨率仅为120nm。

图2飞秒激光双光子聚合示意图

飞秒激光烧蚀加工与双光子聚合加工不同，它主要是通过去除材料表面或内部微纳米级的部分来实现微纳米结构的构型。飞秒激光烧蚀材料时，电子与声子进行耦合时激光作用就已经结束，因而几乎没有热影响区，能实现高精度、高质量加工，如图3(a)所示。

图3(a)超短激光脉冲与材料相互作用;(b)高斯光束的烧蚀阈值

飞秒激光能量密度分布一般为高斯型，只有当激光能量超过材料的烧蚀阈值时，才能进行烧蚀加工，如图3(b)所示。2004年，Joglekar等将飞秒激光聚焦在玻璃表面，加工出线宽约30nm的纳米凹槽。

由此可见，飞秒激光直写技术可以实现多种材料、多种方式的超精细加工，在微光学元件制备领域具有广泛的应用前景，可为微光学元件的制备提供强有力的支持。

微光学元件的

飞秒激光制备

飞秒激光直写技术作为微光学元件的重要制备方法，具有广泛的应用前景。利用飞秒激光直写技术可以实现常规光学元件微小化，多种材料的飞秒激光直写，并且无需掩模板，具有真三维、设计自由度高、加工精度高等优点。近年来，研究者们已经利用该方法在多种材料上制备出各种类型和功能的微光学元件，主要包括折射型光学元件、衍射型光学元件、波导和光纤光栅、微腔元件等。

折射元件

透镜是一种很重要的折射元件，也是使用范围最广的光学元件。透镜最基本的功能是用来成像，除此之外，还可用于光束准直、光束整形等方面。随着各种仪器设备向微小型化发展，透镜也由宏观走向微观。单个微透镜可以将光信号与光纤耦合，实现功能上的集成，同时也是各种微小设备必不可少的部件。在微透镜的加工方面，传统的加工方式已逐渐不适用。

飞秒激光具有超高精度的加工能力，同时可以灵活地进行真三维加工，甚至可以在透明材料的内部直接加工，在微透镜的加工领域越来越常用。研究者们在各种材料、表面和内部进行了探索，实现了多种形式微透镜的加工。

2010年，Qiao等利用飞秒激光在熔融石英芯片内进行微加工，实现微透镜与微流控通道的集成。通过微透镜和微流控通道的集成，在通道内实现了5倍的放大成像，这一技术在芯片实验室装置的应用上具有巨大潜力。

2011年，Qiao等将这种微透镜用于生物组织的成像，发现其成像效果可以和同倍数的商用显微镜相媲美，显示出飞秒激光加工微透镜在生物成像和生物传感方面的应用前景。

2015年，Zheng等利用飞秒激光的热累积烧蚀技术在PMMA内部加工出腔微球透镜。该项技术与传统的表面加工相比要简单、快速，同时有效焦距和视场等光学参数都可以在很大范围里调控，将来可应用于集成光流控芯片、光机电系统、太阳能电池和微广角传感和成像等领域。

2016年，Antipov等利用飞秒激光在单晶蓝宝石的两面各加工一个微凹透镜，实现了X光在二维方向上聚焦，将三个这样的微凹透镜组叠在一起，可以使聚焦的尺寸更小。由于蓝宝石具有优良的热学和光学性能，蓝宝石微透镜将成为聚焦X光的主要元件。

由此看出，利用飞秒激光，可以很容易地在材料表面、内部进行微光学元件的加工。利用飞秒激光加工灵活的优点，集成化加工变得非常简单。除了加工这种固定参数的微透镜之外，研究者们还通过新手段、新材料来实现可调节微透镜的加工，以下举例部分。

2015年，Xu等利用飞秒激光双光子聚合加工技术加工出具有高曲率的凹凸微透镜(CCML)，如图4所示。该透镜不仅具有较高的设计自由度，而且能够显著地改善光学性能，在光束整形和集成光学系统中具有潜在的应用价值。除此之外，凹凸透镜的焦距能够随环境折射率的改变而改变，将来可以应用于微流控通道中，这种透镜的中空结构使其可应用于微反应室中。

图4凹凸微透镜扫描电镜照片和激光共聚焦显微镜照片

2015年，Lu等利用相同的加工技术实现了溶剂响应的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微透镜的加工。这种柔性加工技术和溶剂响应的微透镜集成在新型的微流控和光流控芯片中具有巨大的应用前景。

若将微透镜组成阵列，则可以实现更多的功能，如提高太阳能效率、人工复眼等。

2015年，Meng等结合飞秒激光和化学腐蚀，在硅表面加工出填充因子为100%的微凹透镜阵列。由于硅的光学特性，这种技术将来可应用于红外光的微传感与微光学系统中。

结合飞秒激光和化学腐蚀，可以在材料表面快速制备出微凹透镜阵列。采用压印转写技术，快速实现微凸透镜阵列制备。这种技术缺点也非常明显，透镜的形貌不可控，一般都只能为球面。腐蚀液需要与材料严格匹配，往往具有非常强的毒性。飞秒激光直写一步成型微透镜阵列能够提供一种非常灵活的加工手段，实现真三维加工，在微透镜制备上应用更加广泛。

2015年，Tian等利用飞秒激光加工出具有不同焦距的、呈六边形排列的微凸透镜阵列。由于微透镜具有不同的焦距，使得在不同位置的物体都能够清晰成像，如图5所示。这种微透镜阵列能够提升光学系统的性能，特别适用于弯曲面的成像。

图5微透镜阵列在不同位置成像效果

2014年，Wu等利用飞秒激光直接加工出人工复眼结构，如图6所示，实现无失真宽场成像。随着微加工技术的提升，小尺寸、高性能的人工复眼能够和光电微接收器或光学器件集成，大大扩展其应用范围，例如广角通信的天线、集成光路等。

图6(a)(b)自然界中的复眼;(c)(d)人工复眼

衍射元件

衍射元件中比较常见的是菲涅耳透镜和光栅。菲涅耳透镜是一种非常重要的平面光学元件，和普通透镜不同的是，它是通过衍射来实现光束聚焦和成像功能。传统的光刻工艺对于制作二阶甚至四阶的菲涅耳透镜已经非常成熟，由于加工过程需要掩模板、加工工艺复杂，只适用于大批量的生产。飞秒激光以其高加工精度和加工灵活性，在菲涅耳透镜集成加工方面具有重要应用。

2015年，Komlenok等利用飞秒激光烧蚀，在硅表面加工出适用于太赫兹波段的四阶菲涅耳透镜。经测试，在141μm激光下的衍射效率为35.9%。实现了飞秒激光加工有效的多阶太赫兹衍射光学元件的目标。

2016年，Li等结合飞秒激光烧蚀和化学腐蚀的方法，在蓝宝石表面加工出表面质量非常好的菲涅耳透镜，表面粗糙度仅为12nm。由于具有高硬度、良好的热学和化学稳定性及高的紫外透射率，蓝宝石菲涅耳透镜在紫外微光学领域具有重要的应用前景。

飞秒激光除了能在常规的聚合物和无机材料表面制备单个菲涅耳透镜之外，也可以和微透镜阵列一样，实现菲涅耳透镜阵列的制备。还能够在特殊材料上，如蛋白质，制备菲涅耳透镜，扩展微光学元件在生物领域的应用。

飞秒激光同样适合用来加工光栅，这是由于精心设计的光栅非常复杂，往往需要较高的加工精度。

2016年，Xiao等利用飞秒激光聚合加工，用IP-Dip光刻胶在载玻片表面加工出复杂的二光栅结构，实现太阳光谱中的可见和近红外光的分离。提高飞秒激光的加工精度，能够极大地提升元件的性能，同时能在相同的面积上集成更多的太阳能子电池。

波导和光纤光栅

光波导在光学系统中起着传导光信号的作用，在微光学系统中应用十分广泛。光学信号可以被光波导限制住，并沿特定的路线进行传播。飞秒激光加工灵活，可以加工出任意形状的光波导，特别适合于透明材料内部、现有器件上集成加工等。

由于飞秒激光加工非常灵活，除了直写单一的光波导外，更大的优势在于在三维空间加工特殊形状的光波导，实现信号分束等功能。

2014年，He等利用飞秒激光直写技术，在Bi4Ge3O12(BGO)晶体内部加工出三维光波导，波导处折射率增加5×10-3。这种光波导可以允许4μm的TE和TM基模光通过，其传输损耗和分束损耗分别为4dB/cm和0.3dB，分出来的光束基本均等。通过这种手段，能在BGO晶体内部加工出复杂器件，并应用于中红外光中。

传统的光波导通常在光刻胶或硬质上加工，限制了其在某些领域的应用，如生物领域。蛋白质(及衍生物)是基于生物聚合物形成的，具有良好的生物/环境相容性，基于蛋白质的光波导在生物领域具有重要应用。

2016年，Sun等利用飞秒激光聚合牛血清蛋白加工出基于蛋白质的多模干涉耦合的光学微分束器(P-MMIs)。P-MMIs在环境友好型生物聚合物光学、多路高输出光学生物传感、光流控生物芯片中具有巨大的应用前景。

光纤光栅是指光纤表面或内部有光栅的光纤，能实现特定的功能，如温度传感等。早期，人们利用激光干涉的方法在光纤上加工光栅，这种方式加工出的光栅周期固定、无法精准加工。飞秒激光的内部加工特性，使其非常适于光纤光栅的加工，在光纤的表面或内部都可加工，定位准确、周期可调。

同时，飞秒激光制备的光纤光栅能够对多种物理参数进行探测，如温度、折射率、弯矩和扭矩等。光纤本身物理、化学性质稳定，在一些恶劣环境中的应用更加突出。

微腔元件

微腔主要是指尺寸在几微米到几十微米的微型圆盘，它能够使大量光限制在一个很小的空间里，使光与物质相互作用在其中得到极大增强，在非线性光学、光信号处理、传感等领域具有重要应用价值，是现代光学中不可替代的角色。

2015年，Ku等利用飞秒激光双光子聚合加工，在SU-8中加工出边缘耦合的回音壁模式光子分子微盘，实现了单模激光的输出，如图7所示，标尺为10μm。通过改变微盘的尺寸，输出激光的波长可以在很大范围内调节。这项工作为三维光电子的集成开辟了一条新道路。

图7(a)(c)(e)二个微盘重叠及其输出光谱;(b)(d)(f)三个微盘重叠及其输出光谱

2016年，Huang等利用飞秒激光直写技术，加工出两盘相切的微腔，并系统研究了输出光与两盘边缘距离之间的关系，当边缘距离为-2μm时，实现了单波长激光的输出。

飞秒激光加工精度高，能够直接加工出高品质因子的微盘激光器。因其具有非常高的加工灵活性，非常容易实现微腔与微控或微腔与其他光电器件的集成，在集成光子光电器件中具有重要应用。

微光学元件的应用

微光学元件因其尺寸微小、结构高度可设计，易于形成阵列、易于与其他系统相集成，能够实现普通宏观光学元件无法实现的功能。如微透镜阵列可实现多焦点并行加工、微透镜与微流控通道集成等。

2016年，Choi等利用飞秒激光直写技术，在硼硅酸内部直接加工出菲涅耳透镜和光波导，实现光学系统的集成，单对菲涅耳透镜-光波导的效率达到了9%。

除了具有传统的光传导作用之外，光波导在量子光学和波导激光中具有重要应用。飞秒激光具有较高的峰值功率，能够引起较强的非线性效应，适于在透明材料内部进行加工。

微光学元件能够实现很多传统光学元件不能实现的功能，在现代光学领域具有重要应用价值。随着科学技术的发展，人们对微光学元件的要求越来越高。飞秒激光作为一种高精度的加工手段，在微光学元件的制作中显得越来越重要。

虽然飞秒激光的加工精度还不够高、加工效率比较低。但总的来说，飞秒激光加工具有工艺简单、加工精度高、材料无选择、能够进行集成化加工等优点，在微光学元件的制备中办演越来越重要的角色。通过优化加工工艺，还可以实现相对高效地加工，为微光学元件的应用发展提供支持。随着技术不断地发展，飞秒激光加工的缺点将会被克服，成为真正高效、高精度的加工手段，为加工高质量的微光学元件打下坚实基础。

作者：

曹小文1,张雷1,于永森2,陈岐岱2

1吉林大学机械科学与工程学院

2吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室

参考文献

曹小文,张雷,于永森,陈岐岱飞秒激光制备微光学元件及其应用[J].中国激光,2017,44(1):102004