微透镜阵列的飞秒激光加工方法

       微透镜阵列根据加工方式的不同，飞秒激光加工技术可以分为两种：第 一种是双光子聚合加工技术，是通过增材加工的方式对聚合物材料（光敏树脂、金属溶液、生物兼容材料和石墨烯氧化材料等）进行微纳结构的三维制造；第二种是飞秒激光烧蚀加工技术，是通过减材加工的方式对硬质材料（半导体材料、介质材料和金属材料等）进行复杂结构的去除加工。 

       1）飞秒激光双光子聚合加工

       双光子聚合是无掩模制造功能性微器件和纳米器件的通用技术，特别适用于制造具有若干特性的微光学和光子器件。而利用飞秒激光则可以实现逐点加工，能够制造具有纳米级空间分辨率的精密微结构。

       双光子聚合加工的优势在于它可以通过读取CAD文件直接将聚合物模型打印成实际结构，步骤少、耗时短；而且，双光子聚合的加工环境和参数易于控制，可以轻松修改得到所需的结构。此外，采用增材制造的方式可以直接集成避免组装错误。因此，双光子聚合技术常用于制造形貌复杂的高精度微透镜阵列。如图1，研究人员曾采用飞秒激光双光子聚合直写技术制造了非球面微透镜和具有100%填充因数的透镜阵列，证明了飞秒激光技术可以高精度地、简单快速地制造出具有复杂结构的微纳米功能光学器件。此外，飞秒激光双光子聚合技术还用于制备光流微透镜阵列。

       双光子聚合技术具有操作简单、分辨率高（<100 nm）和3D处理能力等特点，已被广泛用于制造复杂的功能性3D微纳米器件。但在其初步形成凹坑阵列时，仍是以逐点扫描的方式进行制造，这会在实际应用中受到速度的限制。

       为了提高效率，人们通常利用微透镜阵列、衍射光学元件或多光束干涉的多焦点并行制造方法。然而，这些方法的缺点在于焦点的位置由光学元件固定，且仅适用于制造具有相同形态的微结构阵列。而与空间光调制器（SLM）结合飞秒激光加工，可实现多光点并行加工 ，进一步提高加工效率。将SLM引入到双光子聚合加工系统中，可用于制造大规模的微光学和光子器件。

       采用双光子聚合技术，还可在曲面上制备3D曲面复眼结构，制造超高分辨率3D光致发光聚合物纳米结构，以及采用双光子聚合直写技术可制备具有液晶对准的曲线表面结构等。此外，双光子聚合直接激光写入可控制活性聚合物纳米结构的空间定位、尺寸及光致发光特性，这为某些有前途的应用开辟了新途径。

       2）化学刻蚀辅助飞秒激光烧蚀加工

       飞秒激光烧蚀已被证明是一种通过改变固体表面性质来制造各种功能材料的通用且可靠的技术，但存在耗时长、加工粗糙度高的缺点，因此只能获得有限的高质量微结构，在一定程度上降低了微透镜的光学性能。

       采用化学刻蚀辅助飞秒激光烧蚀加工的方法，可以快速实现高精度三维微纳结构的制造，这种加工方式主要是在飞秒激光诱导材料表面产生缺陷的基础上，再进行湿法或干法刻蚀处理，以加速刻蚀效率，得到表面更光滑、质量更高的微透镜及微透镜阵列。