​光學精密工程 | 飛秒雷射雙光子聚合方法加工圖案化微透鏡及其...

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招募撰稿人/主筆

蘇亞輝 1,2,3

秦天天 1

許兵 4吳東 4

（1. 安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥230601；2. 安徽大學 電子信息工程學院，安徽 合肥230601；3. 信息材料與智能感知安徽省實驗室，安徽 合肥 230601；4. 中國科學技術大學 精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230022）

DOI：摘 要 為改善以往圖案化透鏡加工工藝複雜、製造技術昂貴、圖案設計方面有限制等缺點，本文將飛秒雷射雙光子聚合加工技術應用於圖案化微透鏡的快速、高精度加工。通過球面波因子的變形設計了不同圖案的微透鏡，利用飛秒雷射雙光子聚合加工技術在光刻膠樣品中加工出圖案化的微透鏡，然後將光刻膠樣品置於顯影液中去除未聚合部分，得到圖案化微透鏡，最後對圖案化微透鏡進行成像測試和光強均一化分析。將LED光源分別置於不同圖案微透鏡的下方，光線透過圖案化微透鏡成功聚焦出光強一致的焦點圖案。實驗結果表明，使用飛秒雷射雙光子聚合加工可以實現靈活可控的3D圖案化微透鏡結構的加工，採用加工功率為7 mW，曝光時間為2 ms，掃描xy步距為0.5 μm，z步距為0.8~1.5 μm，不僅保證了微透鏡結構表面光滑，而且實現了微透鏡的快速加工。該技術在加工光學超材料、光學微器件、集成光學器件等方面具有廣闊的應用前景。

關鍵詞 雷射加工；飛秒雷射；雙光子聚合；微透鏡；光刻膠

1 引 言

光學器件的小型化、集成化是現代光學系統發展的重要趨勢。近幾十年來，作為一種重要的微光學器件，微透鏡由於其體積小、質量輕、光學性能優異等優點在微成像、光束整形、人工複眼等方面的應用十分廣泛。尤其是圖案化透鏡，它在立體顯示、微流控螢光檢測、增強光纖耦合效率等方面發揮著重要作用。

Iimura 等人通過構造SU-8模具對PDMS膜進行脫模，製作用於粘在玻璃基底上構成微管道的PDMS結構，通過調節注射器向微管道中引入的液體量改變柱透鏡的焦距。該微流體可調柱透鏡可用於切換裸眼立體顯示器中的高分辨二維/三維圖像。Cadarso等在SU-8微柱上噴塗光學油墨獲得形狀各異的柱透鏡，其光學聚焦特性不同，可以將光強分布到不同的形狀的微透鏡上，在光學掃描系統、成像系統或晶片實驗室平臺方面的應用廣泛。Schonbrun等人利用電子束光刻製作了圖案化微透鏡陣列，可產生緊聚焦的激發點並有效收集螢光發射，在微透鏡的設計中增加了像散，從而使激發焦點形成一條垂直於通道方向的線。線激發可用於臺式流式細胞儀，也可用於單分子檢測。HU等人使用光刻，熱回流，模具電鑄和聚二甲基矽氧烷（PDMS）注射來製造半橢圓微透鏡，增加了光纖的數值孔徑，提高了對準公差和耦合效率。目前，圖案化透鏡加工方法都存在加工工藝複雜、製造技術昂貴、圖案設計方面有限制等缺點，因此急需一種靈活可控的柱透鏡製備方法。

飛秒雷射雙光子聚合由於具有超強、超快、超精密的特性，在微結構製備方面引起了研究者們的廣泛關注。它是一種使用緊聚焦、高強度的飛秒雷射在光敏材料內部產生非線性的「光-物質」相互作用，從而加工出微納米結構的技術。該方法具有超高加工精度，可以製造任意形狀的精密3D微結構且無需光學掩膜。因此，飛秒雷射雙光子聚合技術被廣泛應用於製造複雜功能的三維微納米光學器件。Wu等人使用飛秒雷射直寫技術對光刻膠（SU-8）進行加工，得到了非球面輪廓的微透鏡陣列，透鏡具有高數值孔徑，同時實現了高密集度透鏡陣列。Sun等人利用飛秒雷射雙光子聚合技術製備了100%填充率的非球面微透鏡陣列，解決了常規技術無法在幾微米到幾十微米的區域內確定複雜透鏡輪廓的問題。透鏡輪廓的平均誤差僅僅偏離理論模型17.3 nm，是目前報導的最小誤差。Wu等人利用飛秒雷射雙光子聚合技術快速製備了三種高效相型分形區帶板，提高了具有多焦特性相位分形透鏡的成像能力。為了提高飛秒雷射的加工速度，Yang等人利用飛秒雷射全息技術，通過多焦點並行加工得到微透鏡陣列。隨後，本課題組設計了三角型分布的焦點陣列，實現了並行加工，製備了半球狀微透鏡陣列，然後提出了一種顯著改善焦陣均勻性的改進算法，製備了均勻度高的微透鏡陣列，實現了高質量微透鏡陣列的快速加工。雖然研究者們已經利用飛秒雷射實現了半球形微透鏡陣列的快速、高精度加工，可以實現點陣成像，但是圖案化成像微透鏡還沒有被加工出來。

為製備可產生圖案化焦點的微透鏡，本文利用飛秒雷射雙光子聚合方法在光刻膠（SZ2080）中加工圖案化微透鏡，克服了傳統加工方法加工工藝複雜、製造技術昂貴、圖案設計方面有限制等缺點。製備的圖案化微透鏡結構均勻、表面形貌良好，可以產生很好的圖案化焦點。

2 實驗系統

圖1為本文設計的飛秒雷射雙光子聚合加工系統的結構示意圖。光源採用美國Coherent公司生產的Chameleon型雷射設備，基於Chameleon一體鈦寶石，使雷射器的波長調諧範圍寬達680~1 080 nm。本實驗中採用的飛秒雷射光源的中心波長為800 nm，脈衝寬度為75 fs，最大輸出功率為4.5 W。能量單元由格蘭泰稜鏡和λ/2波片組成，通過調節能量單元來控制雷射功率，進而滿足加工需求。雷射束通過lens1和lens2進行光束整形，縮小光束尺寸，然後經過反射鏡，通過50×物鏡（Olympus，NA=0.8）聚焦到樣品材料上進行雙光子聚合加工。實驗系統中放置樣品的三維移動臺由德國PI公司生產的數字PZT控制器和納米移動平臺P-527.3CL兩部分組成。通過PC對軟體的控制可以靈活方便地調節三維平臺的移動，滿足實驗中對材料加工位置的要求。

圖1 飛秒雷射雙光子聚合技術加工系統示意圖Fig.1 Schematic diagram for fabrication of microlens by femtosecond laser two-photon polymerization

3 實驗步驟

飛秒雷射雙光子聚合能夠簡單、可編程的製造任意形狀的3D微結構，因此在光柵、波帶片、微流體器件、微型機械和生物等領域的複雜三維結構加工中發揮著重要作用。

本實驗中，飛秒雷射雙光子聚合加工圖案化微透鏡的實驗步驟如下：

（1）基底處理。為了避免加工時由於灰塵導致的光路散射、畸變和偏轉，加工前將玻片用丙酮或者乙醇清洗，並超聲處理10 min，然後使用潔淨壓縮空氣對玻片進行風乾處理，得到乾淨的玻片基底。

（2）材料準備。實驗中用到的光刻膠（SZ2080，由IESL-FORTH，Greece提供）具有穩定性好、機械性能高、不易變形等優點。用移液器吸取10 μL的SZ2080光刻膠，置於處理過的玻片中心，然後將載有光刻膠的玻片在加熱板上100 ℃下烘45 min後取出，最後將烘好的樣品固定於三維移動臺上。

（3）圖案化微透鏡的設計加工。如圖2所示，使用三維畫圖軟體CAD對微透鏡進行設計，微透鏡的截面形狀按照球面波透鏡設計，即：

，（1）

其中：f是透鏡焦距，k為波數，x和y分別為透鏡在垂直光線傳播方向平面上的橫縱坐標。

圖2 微透鏡的圖案化設計Fig. 2 Patterned microlens design

通過改變球面波因子可以得到截面形狀複雜的透鏡。如圖2（a）所示，首先設計簡單的直線類圖形，將球面波相位在平面進行拉伸合併，設計出「一」字形微透鏡。在簡單的直線圖案基礎上，將兩個「一」字形透鏡疊加，即可獲得如圖2（b）所示「十」字形微透鏡。對於曲線類微光學透鏡，將球面波因子沿曲線進行拉伸合併，可以得到如圖2（c）所示的環形微透鏡和如圖2（d）所示的特殊圖案笑臉形微透鏡。設計完成後，將不同圖案的微透鏡空間坐標數據另存為STL格式文件。在STL文件中，3D圖形被分割成圖層，並對每個圖層進行柵格填充，STL的掃描方式為沿著長軸方向掃描，可以避免移動臺往返運動導致的結果失真。使用控制電腦將STL文件中微透鏡的空間位置坐標讀取出來，然後控制壓電臺的三維移動，遍歷這些空間坐標。加工功率為7 mW，曝光時間為2 ms。利用雙光子聚合對光刻膠進行加工，雷射掃過的部分發生化學反應，CCD用於實時觀測加工的結構。當掃描xy步距太大時，透鏡結構不夠光滑，粗糙度大；當掃描xy步距為0.2 μm，加工時間太長；因此，本實驗採用掃描xy步距為0.5 μm，z步距為0.8~1.5 μm，不僅可以保證微透鏡結構光滑，而且極大地提高了加工速度。加工結束後，將樣品置於正丙醇顯影液中浸泡30 min，除去未發生聚合反應的光刻膠，最後取出樣品，用加熱板烘乾樣品，獲得圖案化的微透鏡，如圖3所示。

圖3 圖案化微透鏡的SEM圖Fig.3 SEM images of processed patterned microlens

圖3所示為飛秒雷射雙光子聚合技術製備的微米級圖案化微透鏡。如圖3（a）是加工的「一」字形微透鏡，從左端起始到右端結束，整體結構均勻，形狀飽滿，周邊沒有因加工引起凸起或凹陷，成像質量很高。圖3（b）是十字形圖案微透鏡，十字形中心的結構清晰可見，無異常凹陷凸起，邊緣平整光滑。圖3（c）是簡單曲線圖案的環形微透鏡，環形微透鏡整體結構一致，沒有任何拼接的痕跡，避免了由於拼接痕跡帶來的部分成像缺失問題。如圖3（d）所示，笑臉型微透鏡表面光滑且表面形態良好。從SEM照片可以看出，該方法加工的微透鏡表面光滑，具有很高的表面質量和良好的表面形態，可以用於進一步的成像測試。

4 成像測試

成像測試系統如圖4（a）所示，下方LED點光源發射的光線照射在微光學元件的底部。由於點光源和微光學原件距離較遠且光學元件面積較小，因此可以近似為平行光入射到微光學元件底部，然後光線經過微光學原件的聚焦在元件上方聚焦成預先設計的光學圖樣。此圖樣被上方物鏡（物鏡為20×，大恆光電）和CMOS（MV-SUA31GC-T，MindVision）組成的成像系統所接收。

圖4 微透鏡成像測試Fig. 4 Imaging test of microlens

將不同圖案的透鏡置於LED光源上方，上下移動微透鏡，通過CCD觀察到微透鏡聚焦出來清晰圖案，「一」字形透鏡、「十」字形微透鏡、環形微透鏡和笑臉形微透鏡聚焦出來的圖案分別如圖4（b）~4（e）所示。成像測試結果表明，利用飛秒雷射雙光子技術加工圖案化微透鏡是可行的，並且加工的圖案化微透鏡可以聚焦出來相應的圖案。最後對聚焦的「一」字形圖案進行光強均一化分析，結果如圖4（f）所示。光強一致的焦點圖案表明，所加工透鏡結構均勻。

5 結 論

本文基於飛秒雷射雙光子聚合技術在SZ2080光刻膠中進行了圖案化微透鏡的製備，並對圖案化的微透鏡進行SEM表徵、成像測試表徵和光強均一化分析。結果表明，製備的圖案化微透鏡結構均勻，可以聚焦得到光強均勻的圖案化焦點。利用飛秒雷射雙光子聚合技術加工圖案化微透鏡是切實可行的，採用加工功率為7 mW，曝光時間為2 ms，掃描xy步距為0.5 μm，z步距為0.8~1.5 μm，不僅保證了微透鏡的結構光滑，而且實現了微透鏡的快速加工。該技術不僅可以直接在光刻膠上製備三維圖案化微透鏡，而且還可以在玻璃管道裡製備精細微透鏡結構，將在微流體晶片、集成光學、光束整形等方面發揮重要作用。

引用本文： 蘇亞輝,秦天天,許兵等.飛秒雷射雙光子聚合方法加工圖案化微透鏡及其成像測試[J].光學精密工程,2020,28(12):2629-2635. (SU Ya-hui,QIN Tian-tian,XU Bing,et al.Patterned microlens processed using two-photon polymerization of femtosecond laser and its imaging test[J].Optics and Precision Engineering,2020,28(12):2629-2635.)

作者簡介：

蘇亞輝，博士，教授，碩士生導師，2007年於中國科學技術大學獲得博士學位，主要研究方向有超快雷射微納米加工技術、計算全息技術、仿生界面設計及製備技術。E-mail：[e-mail]

作者簡介：

秦天天，碩士研究生，2018年於邢臺學院獲得學士學位，主要從事飛秒雷射微納米加工的研究。E-mail：[e-mail]

作者簡介：

吳 東，博士，教授，博士生導師，2010年於吉林大學獲得博士學位，主要研究方向有雷射微納加工、微納米技術、先進精密製造、微晶片實驗室和微光學器件。E-mail：[e-mail]

基金信息： 安徽省高等教育學校自然科學基金重點項目（No.KJ2018A014）；中國博士後科學基金會資助項目(No.2019M662190)；中央高校基礎研究經費資助項目（No.WK2090000016）

中圖分類號： TN249

文章編號：1004-924X（2020）12-2629-07

文獻標識碼： A

收稿日期：2020-09-01

修回日期：2020-09-28

出版日期：2020-12-15

網刊發布日期：2021-01-04

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原標題：《​光學精密工程 | 飛秒雷射雙光子聚合方法加工圖案化微透鏡及其成像測試》

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