隨著科學技術的發展,人們對器件的微型化和集成化的要求越來越高,這些微型器件具有能耗少、功能集成、設計自由程度高等特點。尤其是在光學領域,集成光波導芯片等器件在具有與傳統器件相同功能的基礎上,其體積卻可以縮小幾十倍。作為最基本的微光學元件,微透鏡在多個領域都有非常廣泛的潛在應用,然而常見的面向透明硬脆材料微透鏡的制備方法效率低下,且對作業環境的要求較高,極大地限制了透明硬脆材料微透鏡陣列的大面積制備。

近日，清華大學樊華博士后、吉林大學王磊副教授和徐穎教授等人在《液晶與顯示》（ESCI、核心期刊）發表了題為“飛秒脈沖激光空間光場調控的微透鏡陣列制備技術進展”的綜述文章。
本文介紹了利用飛秒激光燒蝕結合濕法刻蝕制備硬脆材料微透鏡陣列的基本方法,并系統地分析了影響所制備微透鏡形貌的關鍵因素。通過在加工過程中對聚焦光斑的數量和位置進行精細調控,極大地提高了透明硬脆材料微透鏡陣列的加工效率,且可以在加工過程中動態地調整飛秒激光燒蝕改性的形貌,從而實現不同尺寸微透鏡陣列的高速制備。
1 引言
微透鏡陣列對表面質量和形貌要求比較高，因此對制備工藝提出了很嚴格的要求。科研人員提出了許多方法來實現具有高表面質量的微透鏡陣列的高效制備，比如針對柔性材料的熱壓印成型方法實現了大面積微透鏡陣列；利用灰度光刻工藝和轉印方法在柔性的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底上實現了微透鏡陣列；利用光刻和熱回流方式實現了基于聚二甲基硅氧烷材料的微透鏡陣列等。上述方法可以實現具有較高表面質量的微透鏡陣列，但通常需要使用復雜的工藝和步驟。此外，這些微透鏡基質通常為軟質材料，材料本身的機械抗性和耐酸堿的能力比較差。相對而言，透明硬脆材料例如石英、藍寶石等由于其極高的硬度和極強的化學穩定性，在光學窗口、光學元件等方面的應用更加廣泛。因此，如何制備具有高表面質量的透明硬脆材料微透鏡陣列等微光學元件成為研究人員研究的焦點。
2 飛秒激光與濕法刻蝕制備微透鏡的基本原理
飛秒激光在透明硬脆材料(石英)內部制備的結構可以分為以下3類：(1)由于色心或者瞬態重結晶形成的改性結構(Type Ⅰ)；(2)由于納米光柵等結構形成的帶有雙折射改性的結構(Type Ⅱ)；(3)內部的微空洞結構(Type Ⅲ)。如圖 1(a)所示，當使用較小能量的飛秒激光在石英材料內部加工時，局部分子間結構的改變會導致加工區域局部密度的增加和輕微折射率的改變。圖1(b)熒光強度峰證實了激光加工后NBOHC缺陷的形成。當使用中等能量密度進行加工時，多光子吸收導致局部的等離子體產生，局部分子結構發生改變，產生隨機的缺陷結構。隨后，入射激光與缺陷結構導致的散射相互干涉，進而形成了具有亞波長量級的周期性的納米光柵結構。而使用高能量密度時，超高的峰值功率會將直接將焦點位置的材料汽化，在焦點位置形成微空洞結構。
利用飛秒激光單點燒蝕與濕法刻蝕工藝制備石英微透鏡陣列的方法最早是由西安交通大學的陳烽老師提出，該方式成功地在石英材料表面實現了大面積微透鏡陣列的制備，其基本的制備流程如圖 1(c)所示。首先利用飛秒激光在石英表面進行單點燒蝕，其聚焦光斑橫向截面的能量分布可以用高斯分布來表示，因此在焦點附近能量高于材料損傷閾值的位置可以實現材料的去除，形成局部的微坑結構，而在能量略低于材料損傷閾值的位置僅僅形成局部材料性質的改變。當激光輻照后的石英樣品放入到HF溶液中以后，改性區域的結構與HF溶液的反應速率遠大于未經過激光改性的本體材料，導致局部各向異性刻蝕的發生。

圖1飛秒激光加工機理

本文也針對影響加工質量的參數進行了分析與實驗。在微透鏡的制備過程中，濕法刻蝕是決定微透鏡表面質量和尺寸的關鍵因素。在濕法刻蝕過程中，影響結構形貌的主要參數是溶液濃度和刻蝕時間。溶液濃度決定刻蝕速率，在相同濃度的情況下，刻蝕時間決定材料最終去除量。微透鏡的深度主要取決于各向異性刻蝕過程中飛秒激光燒蝕改性的深度。在相同數值孔徑的物鏡聚焦的情況下，其燒蝕改性的深度主要取決于飛秒激光的能量。
3 空間光場調制技術實現高效可控的微透鏡陣列的制備
（1）并行復雜排列的微透鏡陣列的制備
為了提高加工效率以及激光能量利用率，這里使用德國HOLOEYE反射式的液晶相位調制器(LETO-VIS-009)作為空間光場調制的手段。基于LC-SLM的并行飛秒激光加工系統如圖 2(a)所示，波長為514 nm，脈寬為230 fs的飛秒激光經過LC-SLM進行空間光場調制后，利用4f光路將調制之后的光場相位分布投影到物鏡入瞳，經過物鏡之后，在物鏡焦平面形成多個焦點，實現多點并行加工。為了提高飛秒激光的能量利用率，4f系統使用了焦距分別為400 mm和300 mm的透鏡，可以在投影的同時實現縮束效果，從而在充分利用物鏡數值孔徑的基礎上充分利用飛秒激光的能量。為了實現對多個焦點的位置和能量的準確控制，并考慮到計算的速度等問題，這里使用基于傅里葉全息的最優旋轉角算法(Optimal Rotation Angle Algorithm, ORA)，其優勢在于僅通過正向傅里葉變換即可迭代得到較為理想的全息相位分布，且只需要較少的迭代次數。圖 2(b)是預先設計的3×3共計9個不同聚焦光點的能量和位置示意圖，其中點與點之間的間隔為20 μm，其相對能量數值從0.6均勻變化到1。利用ORA全息算法計算得到其相應的全息相位分布如圖 2(c)所示，其中最大和最小數值分別對應于-π和+π。隨后利用S-FFT衍射積分算法對計算得到的全息相位進行光場仿真，并得到其在焦平面的光場能量分布(圖 2(d))，計算結果與設計基本保持一致，證明ORA算法可以滿足并行加工的需求。

圖2基于空間光場調制的多點加工原理

在未移動樣品位置和未改變總的激光脈沖能量的前提下，單次單脈沖直接曝光即可在石英表面得到3×3的微燒蝕坑陣列，其形貌如圖 3(a)和(b)的SEM圖所示，驗證了使用這種全息調制的方式可以僅通過單次曝光即可實現多個不同點的并行燒蝕。當經過20%的HF溶液刻蝕樣品40 min以后，9個燒蝕的微坑都具有圓形表面輪廓，其直徑也隨著燒蝕能量的增加而增加(圖 3(c))。沿圓的直徑提取其截面數據，定量分析其結構尺寸與燒蝕能量之間的關系，證明了利用全息光場調制技術僅通過控制不同焦點位置的能量即可以實現對微透鏡尺寸的控制，從而實現不同尺寸的石英微透鏡陣列的并行加工。

圖3石英表面微坑SEM圖

（2）單點直寫尺寸大范圍可控的微透鏡陣列
為了實現直徑和深度可控的微透鏡陣列的高效制備，如圖 4(a)所示，將經物鏡聚焦的單個焦點調制成沿光軸的多個焦點，通過調整焦點個數來對燒蝕改性深度進行控制，最終實現對微透鏡尺寸的控制。在加工過程中使用的物鏡數值孔徑為0.7，其在石英內部聚焦的縱向焦深接近3 μm，因此將焦點之間的距離d固定為3 μm。當使用略高于材料損傷閾值的能量進行加工時，焦點與焦點之間的距離在刻蝕后仍可以連在一起，從而實現對刻蝕后得到微透鏡深度的控制。利用ORA全息算法計算得到的縱向多焦點全息圖如圖 4(b)所示。使用矢量衍射積分算法分別計算了不同全息下物鏡焦點附近光場能量密度分布情況,其結果如圖4(c)所示。為了避免空間光調制器中未調制的光斑對加工造成影響，在ORA計算得到的全息圖中疊加了菲涅爾透鏡相位，從而將調制和未調制的光場沿光軸方向分離開。

圖4縱向多焦點調制

經過濕法刻蝕得到微透鏡的形貌如圖 5(a)所示，從頂視圖可以看出，經過40 min HF刻蝕后，不同焦點個數燒蝕改性的結構都已經被刻蝕掉，最終都形成了較為理想的圓形輪廓。為了更加準確地表征縱向多焦點全息加工方式對微透鏡尺寸的控制能力，將使用不同焦點個數下制備的微透鏡的尺寸數據總結，如圖 5(b)所示。微凹透鏡光學參數的計算結果如圖 5(c)所示。

圖5全息調制的焦點個數制備的微透鏡和表征

（3）并行微透鏡陣列的制備和成像測試

通過ORA算法計算得到相應的全息圖，并利用激光單次曝光燒蝕和濕法刻蝕直接得到呈六方排列的微透鏡陣列。如圖 6(b)所示，經過40 min刻蝕即可得到填充因子為100%的微透鏡陣列，且不同位置的微透鏡結構均勻。隨后我們利用如圖 6(a)所示的測試系統對該三維微凹透鏡陣列的三維成像效果進行分析，其結果如圖 6(c)和(d)所示，其中紅色為最外圈微凹透鏡的成像效果，綠色為中心微凹透鏡的成像效果。此外，利用縱向焦點個數調制的方式，結合樣品臺與SLM動態聯動，對不同位置使用不同焦點個數的全息來實現不同尺寸微透鏡陣列的高效制備，其理論最大加工速度可達60個/s。制備得到的不同尺寸微凹透鏡陣列的頂視圖如圖 6(e)所示，在不改變激光脈沖能量的情況下，在相同樣品表面可以實現不同尺寸的微透鏡陣列。由于不同尺寸的微凹透鏡具有相同的擬合半徑和焦距，但是其底部距離表面的位置不一樣，因此具有不同焦平面，即該微凹透鏡陣列具有三維的成像能力。如圖 6(f)所示，不同微透鏡陣列都可以具有比較好的成像效果，且隨著微透鏡數值孔徑的增加，“F”的清晰度隨之增加。

圖6三維微透鏡陣列的制備和表征

4 藍寶石微透鏡陣列的并行制備
藍寶石作為一種具有極高硬度、寬光譜透過率和極其穩定的化學性質的透明硬質材料，在工業和國防領域具有廣泛的應用潛力，其在微光學領域也具有極高的潛在應用價值。根據上節飛秒激光制備石英微凹透鏡的加工機理，各向同性的濕法刻蝕是實現高表面質量微凹透鏡的關鍵。這里借助飛秒激光燒蝕種子結構結合各項同性濕法刻蝕的思想，將其應用到藍寶石微透鏡的加工中，實現藍寶石微凹透鏡陣列的高效率制備。

這里采用的是C相藍寶石，使用不同單脈沖能量直接燒蝕得到的結果如圖 7(a)所示。利用該高溫化學反應，單脈沖能量為36 nJ燒蝕后的藍寶石結構隨刻蝕時間的演化過程如圖 7(b)所示。當在溶液中刻蝕5 min以后，藍寶石表面的燒蝕微坑已經擴大并演變成倒三棱錐結構，并且隨著刻蝕時間增加。藍寶石表面微結構的整體尺寸也逐漸增加，但是從側面圖 7(c)可以看到，在整個刻蝕過程中，其斜邊的傾斜角度保持不變，但是底部由原來的三棱錐形狀變成了球形。并且隨著刻蝕時間的近一步增加，其底面的尺寸也隨之變大。經驗證，該底部結構具有比較完美的球面輪廓。根據這一現象，利用光場調制技術將焦點調制為4×4的點陣，焦點之間的間隔略小于刻蝕后藍寶石底部的球面直徑，可以避免由不同晶向引起的三棱柱側邊，從而實現具有高表面質量的藍寶石微透鏡陣列結構。圖 7(d)是利用飛秒激光空間光場調制和濕法刻蝕制備的大面積藍寶石微透鏡陣列結構，可以看到其尺寸分布比較均勻，且都具有比較好的成像效果(圖 7(e))。

圖7藍寶石微透鏡陣列的制備和表征

5 結論
由于液晶空間光調制器的高衍射效率和高柔性的光場調制能力，將飛秒激光空間光場調制與濕法刻蝕相結合，可以實現石英表面微凹透鏡陣列的高效制備，并且在制備過程中僅通過改變全息圖的方式即可實現對微凹透鏡尺寸和數值孔徑的調制。此外，由于光場調制方法可以對加工過程中多個物理量進行控制，因此通過合理地設計焦點陣列的位置和相對能量，單次曝光即可實現三維空間排列的微凹透鏡陣列結構。此外，這種光場調制與濕法刻蝕的加工方式也適用于其他能夠被溶液各項同性刻蝕的材料，包括藍寶石等晶體材料。這種加工方式具有很高的實際應用價值。
盡管利用光場調制和濕法刻蝕可以實現高效微光學元件的制備，但是就目前而言其僅能應用到簡單的微凹透鏡陣列，對于具有復雜輪廓的微光學元件仍有困難。如何利用光場調制與濕法刻蝕方法實現具有高表面質量且三維輪廓可控的硬質材料微光學元件的高效制備，對飛秒激光微納加工領域和微納光學領域都具有十分重要的意義。