摘 要 为改善以往图案化透镜加工工艺重大、制造手艺腾贵、图案设计方面有限制等弱点，本文将飞秒激光双光子聚合加工手艺应用于图案化微透镜的快速、高精度加工。通过球面波因子的变形设计了差别图案的微透镜，使用飞秒激光双光子聚合加工手艺在光刻胶样品中加工出图案化的微透镜，然后将光刻胶样品置于显影液中去除未聚合部分，获得图案化微透镜，最后对图案化微透镜举行成像测试和光强均一化剖析。将LED光源划分置于差别图案微透镜的下方，光线透过图案化微透镜乐成聚焦出光强一致的焦点图案。实验效果批注，使用飞秒激光双光子聚合加工可以实现无邪可控的3D图案化微透镜结构的加工，接纳加工功率为7 mW，曝光时间为2 ms，扫描xy步距为0.5 μm，z步距为0.8~1.5 μm，不但包管了微透镜结构外貌平滑，并且实现了微透镜的快速加工。该手艺在加工光学超质料、光学微器件、集成光学器件等方面具有辽阔的应用远景。

要害词 激光加工；飞秒激光；双光子聚合；微透镜；光刻胶

1 小序

光学器件的小型化、集成化是现代光学系统生长的主要趋势。近几十年来，作为一种主要的微光学器件，微透镜由于其体积小、质量轻、光学性能优异等优点在微成像、光束整形、人工复眼等方面的应用十分普遍。尤其是图案化透镜，它在立体显示、微流控荧光检测、增强光纤耦合效率等方面施展着主要作用。

Iimura 等人通过结构SU-8模具对PDMS膜举行脱模，制作用于粘在玻璃基底上组成微管道的PDMS结构，通过调理注射器向微管道中引入的液体量改变柱透镜的焦距。该微流体可调柱透镜可用于切换裸眼立体显示器中的高区分二维/三维图像。Cadarso等在SU-8微柱上喷涂光学油墨获得形状各异的柱透镜，其光学聚焦特征差别，可以将光强漫衍到差别的形状的微透镜上，在光学扫描系统、成像系统或芯片实验室平台方面的应用普遍。Schonbrun等人使用电子束光刻制作了图案化微透镜阵列，可爆发紧聚焦的引发点并有用网络荧光发射，在微透镜的设计中增添了像散，从而使引发焦点形成一条笔直于通道偏向的线。线引发可用于台式流式细胞仪，也可用于单分子检测。HU等人使用光刻，热回流，模具电铸和聚二甲基硅氧烷（PDMS）注射来制造半椭圆微透镜，增添了光纤的数值孔径，提高了瞄准公差和耦合效率。现在，图案化透镜加工要领都保存加工工艺重大、制造手艺腾贵、图案设计方面有限制等弱点，因此急需一种无邪可控的柱透镜制备要领。

飞秒激光双光子聚合由于具有超强、超快、超细密的特征，在微结构制备方面引起了研究者们的普遍关注。它是一种使用紧聚焦、高强度的飞秒激光在光敏质料内部爆发非线性的“光-物质”相互作用，从而加工出微纳米结构的手艺。该要领具有超高加工精度，可以制造恣意形状的细密3D微结构且无需光学掩膜。因此，飞秒激光双光子聚合手艺被普遍应用于制造重大功效的三维微纳米光学器件。Wu等人使用飞秒激光直写手艺对光刻胶（SU-8）举行加工，获得了非球面轮廓的微透镜阵列，透镜具有高数值孔径，同时实现了高麋集度透镜阵列。Sun等人使用飞秒激光双光子聚合手艺制备了100%填充率的非球面微透镜阵列，解决了通例手艺无法在几微米到几十微米的区域内确定重大透镜轮廓的问题。透镜轮廓的平均误差仅仅偏离理论模子17.3 nm，是现在报道的最小误差。Wu等人使用飞秒激光双光子聚合手艺快速制备了三种高效相型分形区带板，提高了具有多焦特征相位分形透镜的成像能力。为了提高飞秒激光的加工速率，Yang等人使用飞秒激光全息手艺，通过多焦点并行加工获得微透镜阵列。随后，本课题组设计了三角型漫衍的焦点阵列，实现了并行加工，制备了半球状微透镜阵列，然后提出了一种显著改善焦阵匀称性的刷新算法，制备了匀称度高的微透镜阵列，实现了高质量微透镜阵列的快速加工。虽然研究者们已经使用飞秒激光实现了半球形微透镜阵列的快速、高精度加工，可以实现点阵成像，可是图案化成像微透镜还没有被加工出来。

为制备可爆发图案化焦点的微透镜，本文使用飞秒激光双光子聚合要领在光刻胶（SZ2080）中加工图案化微透镜，战胜了古板加工要领加工工艺重大、制造手艺腾贵、图案设计方面有限制等弱点。制备的图案化微透镜结构匀称、外貌形貌优异，可以爆发很好的图案化焦点。

2 实验系统

图1为本文设计的飞秒激光双光子聚合加工系统的结构示意图。光源接纳美国Coherent公司生产的Chameleon型激光装备，基于Chameleon一体钛宝石，使激光器的波长调谐规模宽达680~1 080 nm。本实验中接纳的飞秒激光光源的中心波长为800 nm，脉冲宽度为75 fs，最大输出功率为4.5 W。能量单位由格兰泰棱镜和λ/2波片组成，通过调理能量单位来控制激光功率，进而知足加工需求。激光束通过lens1和lens2举行光束整形，缩小光束尺寸，然后经由反射镜，通过50×物镜（Olympus，NA=0.8）聚焦到样品质料上举行双光子聚合加工。实验系统中安排样品的三维移动台由德国PI公司生产的数字PZT控制器和纳米移动平台P-527.3CL两部分组成。通过PC对软件的控制可以无邪利便地调理三维平台的移动，知足实验中对证料加工位置的要求。

3 实验办法

飞秒激光双光子聚合能够简朴、可编程的制造恣意形状的3D微结构，因此在光栅、波带片、微流体器件、微型机械和生物等领域的重大三维结构加工中施展着主要作用。

本实验中，飞秒激光双光子聚合加工图案化微透镜的实验办法如下：

（1）基底处置惩罚。为了阻止加工时由于灰尘导致的光路散射、畸变和偏转，加工前将玻片用丙酮或者乙醇洗濯，并超声处置惩罚10 min，然后使用清洁压缩空气对玻片举行风干处置惩罚，获得清洁的玻片基底。

（2）质料准备。实验中用到的光刻胶（SZ2080，由IESL-FORTH，Greece提供）具有稳固性好、机械性能高、不易变形等优点。用移液器吸收10 μL的SZ2080光刻胶，置于处置惩罚过的玻片中心，然后将载有光刻胶的玻片在加热板上100 ℃下烘45 min后取出，最后将烘好的样品牢靠于三维移动台上。

（3）图案化微透镜的设计加工。如图2所示，使用三维绘图软件CAD对微透镜举行设计，微透镜的截面形状凭证球面波透镜设计，即：

其中：f是透镜焦距，k为波数，x和y划分为透镜在笔直光线撒播偏向平面上的横纵坐标。

通过改变球面波因子可以获得截面形状重大的透镜。如图2（a）所示，首先设计简朴的直线类图形，将球面波相位在平面举行拉伸合并，设计出“一”字形微透镜。在简朴的直线图案基础上，将两个“一”字形透镜叠加，即可获得如图2（b）所示“十”字形微透镜。关于曲线类微光学透镜，将球面波因子沿曲线举行拉伸合并，可以获得如图2（c）所示的环形微透镜和如图2（d）所示的特殊图案笑容形微透镜。设计完成后，将差别图案的微透镜空间坐标数据另存为STL名堂文件。在STL文件中，3D图形被支解成图层，并对每个图层举行栅格填充，STL的扫描方法为沿着长轴偏向扫描，可以阻止移动台往返运动导致的效果失真。使用控制电脑将STL文件中微透镜的空间位置坐标读取出来，然后控制压电台的三维移动，遍历这些空间坐标。加工功率为7 mW，曝光时间为2 ms。使用双光子聚合对光刻胶举行加工，激光扫过的部分爆发化学反应，CCD用于实时视察加工的结构。当扫描xy步距太大时，透镜结构不敷平滑，粗糙度大；当扫描xy步距为0.2 μm，加工时间太长；因此，本实验接纳扫描xy步距为0.5 μm，z步距为0.8~1.5 μm，不但可以包管微透镜结构平滑，并且极大地提高了加工速率。加工竣事后，将样品置于正丙醇显影液中浸泡30 min，除去未爆发聚合反应的光刻胶，最后取出样品，用加热板烘干样品，获得图案化的微透镜。

图3所示为飞秒激光双光子聚合手艺制备的微米级图案化微透镜。如图3（a）是加工的“一”字形微透镜，从左端起始到右端竣事，整体结构匀称，形状饱满，周边没有因加工引起凸起或凹陷，成像质量很高。图3（b）是十字形图案微透镜，十字形中心的结构清晰可见，无异常凹陷凸起，边沿平整平滑。图3（c）是简朴曲线图案的环形微透镜，环形微透镜整体结构一致，没有任何拼接的痕迹，阻止了由于拼接痕迹带来的部分成像缺失问题。如图3（d）所示，笑容型微透镜外貌平滑且外貌形态优异。从SEM照片可以看出，该要领加工的微透镜外貌平滑，具有很高的外貌质量和优异的外貌形态，可以用于进一步的成像测试

4 成像测试

成像测试系统如图4（a）所示，下方LED点光源发射的光线照射在微光学元件的底部。由于点光源和微光学原件距离较远且光学元件面积较小，因此可以近似为平行光入射到微光学元件底部，然后光线经由微光学原件的聚焦在元件上方聚焦成预先设计的光学图样。此图样被上方物镜（物镜为20×，大恒光电）和CMOS（MV-SUA31GC-T，MindVision）组成的成像系统所吸收。

将差别图案的透镜置于LED光源上方，上下移动微透镜，通过CCD视察到微透镜聚焦出来清晰图案，“一”字形透镜、“十”字形微透镜、环形微透镜和笑容形微透镜聚焦出来的图案划分如图4（b）~4（e）所示。成像测试效果批注，使用飞秒激光双光子手艺加工图案化微透镜是可行的，并且加工的图案化微透镜可以聚焦出来响应的图案。最后对聚焦的“一”字形图案举行光强均一化剖析，效果如图4（f）所示。光强一致的焦点图案批注，所加工透镜结构匀称。

5 结论

本文基于飞秒激光双光子聚合手艺在SZ2080光刻胶中举行了图案化微透镜的制备，并对图案化的微透镜举行SEM表征、成像测试表征和光强均一化剖析。效果批注，制备的图案化微透镜结构匀称，可以聚焦获得光强匀称的图案化焦点。使用飞秒激光双光子聚合手艺加工图案化微透镜是切实可行的，接纳加工功率为7 mW，曝光时间为2 ms，扫描xy步距为0.5 μm，z步距为0.8~1.5 μm，不但包管了微透镜的结构平滑，并且实现了微透镜的快速加工。该手艺不但可以直接在光刻胶上制备三维图案化微透镜，并且还可以在玻璃管道里制备细腻微透镜结构，将在微流体芯片、集成光学、光束整形等方面施展主要作用。