文 / 楊雪，孫會來*，岳端木，孫建林

天津工業大學機械工程學院

微透鏡陣列（MLA）是陣列光學器件中重要的光學元件，具有小型化、輕型化以及良好的成像性能的優點，被廣泛應用于光通信、光信號處理、波前傳感、光場調控、數據存儲、醫學診斷等領域。隨著現代科學技術的發展，各類光學系統逐漸趨于微型化、集成化和功能化，從而對微透鏡陣列等光學元件的材料和技術工藝提出了更高要求。

目前，用于制造微透鏡陣列結構的常規技術包括灰度掩模法、光刻膠熱熔法、單點金剛石切削加工、離子束刻蝕以及熱壓模成型法等，這些技術均存在一定不足。而近年來，飛秒激光加工技術已成為微納制造的一大利器，具有可控度高、靈活性好、無需掩模、加工精度高等優勢，可以很好地實現小尺寸、高精度、復雜表面輪廓以及功能化三維結構的靈活制造，成為了微透鏡陣列的新型制備工具。

一

微透鏡陣列的飛秒激光加工方法

根據加工方式的不同，飛秒激光加工技術可以分為兩種：第一種是雙光子聚合加工技術，是通過增材加工的方式對聚合物材料（光敏樹脂、金屬溶液、生物兼容材料和石墨烯氧化材料等）進行微納結構的三維制造；第二種是飛秒激光燒蝕加工技術，是通過減材加工的方式對硬質材料（半導體材料、介質材料和金屬材料等）進行復雜結構的去除加工。

1）飛秒激光雙光子聚合加工

雙光子聚合是無掩模制造功能性微器件和納米器件的通用技術，特別適用于制造具有若干特性的微光學和光子器件。而利用飛秒激光則可以實現逐點加工，能夠制造具有納米級空間分辨率的精密微結構。

雙光子聚合加工的優勢在于它可以通過讀取CAD文件直接將聚合物模型打印成實際結構，步驟少、耗時短；而且，雙光子聚合的加工環境和參數易于控制，可以輕松修改得到所需的結構。此外，采用增材制造的方式可以直接集成避免組裝錯誤。因此，雙光子聚合技術常用于制造形貌復雜的高精度微透鏡陣列。如圖1，研究人員曾采用飛秒激光雙光子聚合直寫技術制造了非球面微透鏡和具有100%填充因數的透鏡陣列，證明了飛秒激光技術可以高精度地、簡單快速地制造出具有復雜結構的微納米功能光學器件。此外，飛秒激光雙光子聚合技術還用于制備光流微透鏡陣列。

圖1 100%填充因數正方形微透鏡陣列的掃描電子顯微鏡（SEM）圖及其局部放大圖

雙光子聚合技術具有操作簡單、分辨率高（<100 nm）和3D處理能力等特點，已被廣泛用于制造復雜的功能性3D微納米器件。但在其初步形成凹坑陣列時，仍是以逐點掃描的方式進行制造，這會在實際應用中受到速度的限制。

為了提高效率，人們通常利用微透鏡陣列、衍射光學元件或多光束干涉的多焦點并行制造方法。然而，這些方法的缺點在于焦點的位置由光學元件固定，且僅適用于制造具有相同形態的微結構陣列。而與空間光調制器（SLM）結合飛秒激光加工，可實現多光點并行加工（如圖2），進一步提高加工效率。將SLM引入到雙光子聚合加工系統中，可用于制造大規模的微光學和光子器件。

圖2 基于SLM的飛秒激光雙光子聚合加工系統

采用雙光子聚合技術，還可在曲面上制備3D曲面復眼結構，制造超高分辨率3D光致發光聚合物納米結構，以及采用雙光子聚合直寫技術可制備具有液晶對準的曲線表面結構等。此外，雙光子聚合直接激光寫入可控制活性聚合物納米結構的空間定位、尺寸及光致發光特性，這為某些有前途的應用開辟了新途徑。

2）化學刻蝕輔助飛秒激光燒蝕加工

飛秒激光燒蝕已被證明是一種通過改變固體表面性質來制造各種功能材料的通用且可靠的技術，但存在耗時長、加工粗糙度高的缺點，因此只能獲得有限的高質量微結構，在一定程度上降低了微透鏡的光學性能。

采用化學刻蝕輔助飛秒激光燒蝕加工的方法，可以快速實現高精度三維微納結構的制造，這種加工方式主要是在飛秒激光誘導材料表面產生缺陷的基礎上，再進行濕法或干法刻蝕處理，以加速刻蝕效率，得到表面更光滑、質量更高的微透鏡及微透鏡陣列。

濕法刻蝕輔助飛秒激光燒蝕加工

濕法刻蝕輔助飛秒激光燒蝕加工是一種高效的成形方法，首先利用飛秒激光在材料表面誘導出凹坑陣列的改性區域，然后使用氫氟酸等腐蝕試劑輔助刻蝕，加快微透鏡的形成。

在過去的10年中，濕法刻蝕輔助飛秒激光技術得到了進一步發展，其與多種技術的結合提升了飛秒激光的加工效率，人們已經制備出了復雜程度高、表面質量好以及功能性強的微透鏡陣列。如圖3，利用飛秒激光燒蝕制備凹微透鏡陣列。這種簡單高效的無掩模技術簡化了經典的激光刻蝕工藝，大大提高了制造效率，并且可以通過調整脈沖能量、噴射次數和刻蝕時間等參數來控制微透鏡陣列的尺寸、形狀和填充圖案。

圖 3 濕法刻蝕輔助飛秒激光制備微透鏡陣列

利用單脈沖飛秒激光濕法刻蝕與熱壓花技術相結合的方法，可以快速生產具有熱壓花多功能性的大面積凹面微透鏡陣列，實現高質量人工復眼的制備，并且在大規模工業生產中具有巨大的應用潛力。

空間光調制器輔助飛秒激光，使用氫氟酸溶液進行濕法蝕刻，可制備3D密排復合微透鏡陣列，這為制造3D微光學設備提供了一種并行高效的工具。該技術在光流體、光學通信和集成光學方面具有一定的潛在應用。

微透鏡陣列在大氣環境、海洋探索和微流體系統等方面都有廣泛應用，但是當微透鏡陣列應用于水介質中時，普通的微透鏡陣列表面易被油污污染，導致其光學成像能力喪失。將飛秒激光濕法刻蝕與飛秒激光直寫技術相結合，便可制造超疏油性聚二甲基硅氧烷（PDMS）微透鏡陣列，因其表面的水下超疏油性、拒油性能以及良好的機械耐久性，可被應用于海洋勘探、生物科學研究、微流體系統以及許多水下基于微透鏡陣列的系統。

干法刻蝕輔助飛秒激光燒蝕加工

濕法刻蝕輔助飛秒激光加工方法可以在石英、硅、碳化硅、玻璃等材料上快速制備出高精度且形貌可控的微透鏡陣列及其他三維微納結構，但加工過程中存在腐蝕問題，影響刻蝕的均勻性，導致微透鏡陣列出現形貌畸變和圖形失真，加工精度降低。而干法刻蝕能很好地避免這個問題。

干法刻蝕技術是在真空度較低的環境下使氣體等離子體在電場的作用下，對被刻蝕材料同步進行物理轟擊和化學反應的刻蝕技術?？梢哉f，除化學溶液腐蝕以外的所有刻蝕技術都可以被稱作干法刻蝕。

工業上廣泛應用的干法刻蝕工藝包括反應離子刻蝕、感應耦合等離子體刻蝕和離子束刻蝕，它們實質上都是基于等離子體效應的加工技術。在電場作用下形成的電離化氣體稱為等離子體，其化學活性比未經電場作用的氣體強很多，能夠提高其與基底材料的反應速度，達到刻蝕的目的，屬于化學刻蝕。

目前，飛秒激光加工與各種技術的結合已成為制備微透鏡陣列的新方向。例如，飛秒激光與濕法/干法刻蝕相結合可以提高制造效率，與熱壓印技術相結合可以制造凸微透鏡陣列，與空間光調制器相結合能夠實現多光點并行制造。

二

飛秒激光制備微透鏡陣列的實際應用問題

飛秒激光雙光子聚合技術和化學刻蝕輔助飛秒激光燒蝕加工技術都具有靈活制造復雜微結構的能力，使得飛秒激光加工技術成為重要的微透鏡陣列的加工方式。目前，飛秒激光制備微透鏡陣列已得到了一定發展，然而在實際制造和應用中仍然存在一些問題。

飛秒激光雙光子聚合因其逐點掃描的加工方式，往往需要花費數小時才能完成微納米器件的制造，這使得它在實現大尺度結構和高精度加工之間存在著矛盾，不適用于實際生產。

采用濕法或干法刻蝕輔助飛秒激光燒蝕的加工方式能夠進一步提高制造效率，獲得光滑的表面結構。然而，借助腐蝕液和刻蝕腔進一步刻蝕時可控性不高，微結構尺寸不易控制，得到的微透鏡形貌較為單一，需要進一步優化工藝；而且激光燒蝕的減材加工方式，使得制備的結構均為凹面透鏡陣列，需要借助復制工藝獲得凸面透鏡陣列。

此外，這兩種技術在加工效率上都有待進一步提升。將空間光調制器引入飛秒激光加工系統是制造復雜微光學和光子器件的有效方法，有望實現高速、大批量的工業生產。

盡管飛秒激光制備微透鏡陣列還存在一些不足之處，但通過飛秒激光加工技術的持續優化升級以及新型激光器的研發，微透鏡陣列將在尺寸精度、制造效率以及材料選擇上有所突破?？梢钥隙ǖ氖?，隨著工業需求的擴大，飛秒激光技術將會與更多的科學技術相結合，獲得復雜、靈活且兼具獨特功能的微透鏡陣列，從而推動光纖通信、光學傳感、全視角成像、生物醫療檢測以及其他微光學系統的發展。

本文已獲得作者授權，改寫自《飛秒激光制備微透鏡陣列的研究進展》。