摘 要 为改善以往图案化透镜加工工艺复杂、造作技术昂贵、图案设计方面有限度等弊端，本文将飞秒激光双光子聚合加工技术利用于图案化微透镜的急剧、高精度加工。通过球面波因子的变形设计了分歧图案的微透镜，利用飞秒激光双光子聚合加工技术在光刻胶样品中加工出图案化的微透镜，而后将光刻胶样品置于显影液中去除未聚合部门，得到图案化微透镜，最后对图案化微透镜进行成像测试和光强均一化分析。将LED光源别离置于分歧图案微透镜的下方，光线透过图案化微透镜成功聚焦出光强一致的焦点图案。尝试了局批注，使用飞秒激光双光子聚合加工能够实现矫捷可控的3D图案化微透镜结构的加工，选取加工功率为7 mW，曝光功夫为2 ms，扫描xy步距为0.5 μm，z步距为0.8~1.5 μm，不仅保障了微透镜结构表表光滑，并且实现了微透镜的急剧加工。该技术在加工光学超资料、光学微器件、集成光学器件等方面拥有辽阔的利用远景。

关键词 激光加工；飞秒激光；双光子聚合；微透镜；光刻胶

1 引言

光学器件的幼型化、集成化是现代光学系统发展的沉要趋向。近几十年来，作为一种沉要的微光学器件，微透镜由于其体积幼、质量轻、光学机能优异蹬着点在微成像、光束整形、人为复眼等方面的利用极度宽泛。尤其是图案化透镜，它在立体显示、微流控荧光检测、加强光纤耦合效能等方面阐扬着沉要作用。

Iimura 等人通过机关SU-8模具对PDMS膜进行脱模，造作用于粘在玻璃基底上组成微管路的PDMS结构，通过调节注射器向微管路中引入的液体量扭转柱透镜的焦距。该微流体可调柱透镜可用于切换裸眼立体显示器中的高分辨二维/三维图像。Cadarso等在SU-8微柱上喷涂光学油墨获得状态各别的柱透镜，其光学聚焦个性分歧，能够将光强散布到分歧的状态的微透镜上，在光学扫描系统、成像系统或芯片尝试室平台方面的利用宽泛。Schonbrun等人利用电子束光刻造作了图案化微透镜阵列，可产生紧聚焦的引发点并有效网络荧光发射，在微透镜的设计中增长了像散，从而使引发焦点形成一条垂直于通路方向的线。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）注射来造作半椭圆微透镜，增长了光纤的数值孔径，提高了对准公差和耦合效能。目前，图案化透镜加工步骤都存在加工工艺复杂、造作技术昂贵、图案设计方面有限度等弊端，因而急需一种矫捷可控的柱透镜造备步骤。

飞秒激光双光子聚合由于拥有超强、超快、超精密的个性，在微结组织备方面引起了钻研者们的宽泛关注。它是一种使用紧聚焦、高强度的飞秒激光在光敏资料内部产生非线性的“光-物质”相互作用，从而加工出微纳米结构的技术。该步骤拥有超高加工精度，能够造作肆意状态的精密3D微结构且无需光学掩膜。因而，飞秒激光双光子聚合技术被宽泛利用于造作复杂职能的三维微纳米光学器件。Wu等人使用飞秒激光直写技术对光刻胶（SU-8）进行加工，得到了非球面概括的微透镜阵列，透镜拥有高数值孔径，同时实现了高密集度透镜阵列。Sun等人利用飞秒激光双光子聚合技术造备了100%填充率的非球面微透镜阵列，解决了通例技术无法在几微米到几十微米的区域内确定复杂透镜概括的问题。透镜概括的均匀误差仅仅偏离理论模型17.3 nm，是目前报路的最幼误差。Wu等人利用飞秒激光双光子聚合技术急剧造备了三种高效相型分形区带板，提高了拥有多焦个性相位分形透镜的成像能力。为了提高飞秒激光的加工速度，Yang等人利用飞秒激光全息技术，通过多焦点并行加工得到微透镜阵列。随后，本课题组设计了三角型散布的焦点阵列，实现了并行加工，造备了半球状微透镜阵列，而后提出了一种显著改善焦阵均匀性的改进算法，造备了均匀度高的微透镜阵列，实现了高质量微透镜阵列的急剧加工。固然钻研者们已经利用飞秒激光实现了半球形微透镜阵列的急剧、高精度加工，能够实现点阵成像，但是图案化成像微透镜还没有被加工出来。

为造备可产生图案化焦点的微透镜，本文利用飞秒激光双光子聚合步骤在光刻胶（SZ2080）中加工图案化微透镜，克服了传统加工步骤加工工艺复杂、造作技术昂贵、图案设计方面有限度等弊端。造备的图案化微透镜结构均匀、表表描摹优良，能够产生很好的图案化焦点。

2 尝试系统

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。光源选取美国Coherent公司出产的Chameleon型激光设备，基于Chameleon一体钛宝石，使激光器的波长调谐领域宽达680~1 080 nm。本尝试当选取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。能量单元由格兰泰棱镜和λ/2波片组成，通过调节能量单元来节造激光功率，进而满足加工需要。激光束通过lens1和lens2进行光束整形，缩幼光束尺寸，而后经过反射镜，通过50×物镜（Olympus，NA=0.8）聚焦到样品资料上进行双光子聚合加工。尝试系统中搁置样品的三维移动台由德国PI公司出产的数字PZT节造器和纳米移动平台P-527.3CL两部门组成。通过PC对软件的节造能够矫捷方便地调节三维平台的移动，满足尝试中对资料加工地位的要求。

3 尝试步骤

飞秒激光双光子聚合可能单一、可编程的造作肆意状态的3D微结构，因而在光栅、波带片、微流体器件、微型机械和生物等领域的复杂三维结构加工中阐扬着沉要作用。

本尝试中，飞秒激光双光子聚合加工图案化微透镜的尝试步骤如下：

（1）基底处置。为了预防加工时由于尘埃导致的光路散射、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10 min，而后使用干净压缩空气对玻片进行风干处置，得到干净的玻片基底。

（2）资料筹备。尝试中用到的光刻胶（SZ2080，由IESL-FORTH，Greece提供）拥有不变性好、机械机能高、不易变形蹬着点。用移液器汲取10 μL的SZ2080光刻胶，置于处置过的玻片中心，而后将载有光刻胶的玻片在加热板上100 ℃下烘45 min后取出，最后将烘好的样品固定于三维移动台上。

（3）图案化微透镜的设计加工。如图2所示，使用三维画图软件CAD对微透镜进行设计，微透镜的截面状态依照球面波透镜设计，即：

其中：f是透镜焦距，k为波数，x和y别离为透镜在垂直光线传布方向平面上的横纵坐标。

通过扭转球面波因子能够得到截面状态复杂的透镜。如图2（a）所示，首先设计单一的直线类图形，将球面波相位在平面进行拉伸归并，设计出“一”字形微透镜。在单一的直线图案基础上，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。对于曲线类微光学透镜，将球面波因子沿曲线进行拉伸归并，能够得到如图2（c）所示的环形微透镜和如图2（d）所示的特殊图案笑颜形微透镜。设计实现后，将分歧图案的微透镜空间坐标数据另存为STL体式文件。在STL文件中，3D图形被宰割成图层，并对每个图层进行栅格填充，STL的扫描方式为沿着长轴方向扫描，能够预防移动台往返活动导致的了局失真。使用节造电脑将STL文件中微透镜的空间地位坐标读取出来，而后节造压电台的三维移动，遍历这些空间坐标。加工功率为7 mW，曝光功夫为2 ms。利用双光子聚合对光刻胶进行加工，激光扫过的部门产生化学反映，CCD用于实时观测加工的结构。当扫描xy步距太大时，透镜结构不够光滑，粗糙度大；当扫描xy步距为0.2 μm，加工功夫太长；因而，本尝试选取扫描xy步距为0.5 μm，z步距为0.8~1.5 μm，不仅能够保障微透镜结构光滑，并且极大地提高了加工速度。加工实现后，将样品置于正丙醇显影液中浸泡30 min，除去未产生聚合反映的光刻胶，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技术造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，从左端肇始到右端实现，整体结构均匀，状态鼓满，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澈可见，无异常凹陷凸起，边缘平坦光滑。图3（c）是单一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，预防了由于拼接痕迹带来的部门成像缺失问题。如图3（d）所示，笑颜型微透镜表表光滑且表表状态优良。从SEM照片能够看出，该步骤加工的微透镜表表光滑，拥有很高的表表质量和优良的表表状态，能够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元件距离较远且光学元件面积较幼，因而能够近似为平行光入射到微光学元件底部，而后光线经过微光学元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）组成的成像系统所接管。

将分歧图案的透镜置于LED光源上方，高低移动微透镜，通过CCD观察到微透镜聚焦出来清澈图案，“一”字形透镜、“十”字形微透镜、环形微透镜和笑颜形微透镜聚焦出来的图案别离如图4（b）~4（e）所示。成像测试了局批注，利用飞秒激光双光子技术加工图案化微透镜是可行的，并且加工的图案化微透镜能够聚焦出来相应的图案。最后对聚焦的“一”字形图案进行光强均一化分析，了局如图4（f）所示。光强一致的焦点图案批注，所加工透镜结构均匀。

5 结论

本文基于飞秒激光双光子聚合技术在SZ2080光刻胶中进行了图案化微透镜的造备，并对图案化的微透镜进行SEM表征、成像测试表征和光强均一化分析。了局批注，造备的图案化微透镜结构均匀，能够聚焦得到光强均匀的图案化焦点。利用飞秒激光双光子聚合技术加工图案化微透镜是切实可行的，选取加工功率为7 mW，曝光功夫为2 ms，扫描xy步距为0.5 μm，z步距为0.8~1.5 μm，不仅保障了微透镜的结构光滑，并且实现了微透镜的急剧加工。该技术不仅能够直接在光刻胶上造备三维图案化微透镜，并且还能够在玻璃管路里造备精轻微透镜结构，将在微流体芯片、集成光学、光束整形等方面阐扬沉要作用。