飛秒激光直寫是利用飛秒激光的超快脈沖和超強瞬時能量進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,可以滿足對具有復雜表面輪廓和納米級表面粗糙度的微光學元件和立體系統(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)制備微光學元件和系統(tǒng)的研究進展,并對飛秒激光直寫微光學元件的未來發(fā)展趨勢進行了總結(jié)和展望。
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,對具有復雜表面輪廓、納米級表面粗糙度的成像和非成像微光學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行真三維加工的能力,可以制作各種復雜光學元件和立體系統(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)制備微光學元件和系統(tǒng)的研究進展,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行了詳細介紹,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元件的未來發(fā)展趨勢進行了展望。
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行提升。
飛秒激光直寫微光學元件和立體系統(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元件。光學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系統(tǒng)。
圖3:微光學元件及光學系統(tǒng)中的輔助結(jié)構(gòu)
基于微光學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)和基于波導的光子芯片系統(tǒng)等。如Christian Koos團隊利用雙光子聚合制造用于裝配先進光子系統(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)使睿苊饬耸褂冒嘿F的有源對準方法。
圖4:微光學立體系統(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系統(tǒng)。如由不同材料加工形成的多材料光學系統(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,微光學元件將繼續(xù)向立體集成方向發(fā)展。因此,進一步優(yōu)化和改進飛秒激光直寫技術(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
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原文標題:飛秒激光直寫微光學元件和立體系統(tǒng)
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