蘇亞輝，秦天天，許 兵，吳 東

（1. 安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥230601；2. 安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥230601；3. 信息材料與智能感知安徽省實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230601；4. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥230022）

1 引 言

光學(xué)器件的小型化、集成化是現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)［1］。近幾十年來(lái)，作為一種重要的微光學(xué)器件，微透鏡由于其體積小、質(zhì)量輕、光學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)在微成像［2］、光束整形［3］、人工復(fù)眼［4］等方面的應(yīng)用十分廣泛。尤其是圖案化透鏡，它在立體顯示［5］、微流控?zé)晒鈾z測(cè)［6］、增強(qiáng)光纖耦合效率［7］等方面發(fā)揮著重要作用。

Iimura 等人通過(guò)構(gòu)造SU-8 模具對(duì)PDMS 膜進(jìn)行脫模，制作用于粘在玻璃基底上構(gòu)成微管道的PDMS 結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)注射器向微管道中引入的液體量改變柱透鏡的焦距。該微流體可調(diào)柱透鏡［8］可用于切換裸眼立體顯示器中的高分辨二維/三維圖像。Cadarso 等在SU-8 微柱上噴涂光學(xué)油墨獲得形狀各異的柱透鏡［9］，其光學(xué)聚焦特性不同，可以將光強(qiáng)分布到不同的形狀的微透鏡上，在光學(xué)掃描系統(tǒng)、成像系統(tǒng)或芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)方面的應(yīng)用廣泛。Schonbrun 等人利用電子束光刻制作了圖案化微透鏡陣列［6］，可產(chǎn)生緊聚焦的激發(fā)點(diǎn)并有效收集熒光發(fā)射，在微透鏡的設(shè)計(jì)中增加了像散，從而使激發(fā)焦點(diǎn)形成一條垂直于通道方向的線。線激發(fā)可用于臺(tái)式流式細(xì)胞儀，也可用于單分子檢測(cè)。HU 等人使用光刻，熱回流，模具電鑄和聚二甲基硅氧烷（PDMS）注射來(lái)制造半橢圓微透鏡［7］，增加了光纖的數(shù)值孔徑，提高了對(duì)準(zhǔn)公差和耦合效率。目前，圖案化透鏡加工方法都存在加工工藝復(fù)雜、制造技術(shù)昂貴、圖案設(shè)計(jì)方面有限制等缺點(diǎn)，因此急需一種靈活可控的柱透鏡制備方法。

飛秒激光雙光子聚合由于具有超強(qiáng)、超快、超精密的特性，在微結(jié)構(gòu)制備方面引起了研究者們的廣泛關(guān)注［10］。它［11］是一種使用緊聚焦、高強(qiáng)度的飛秒激光在光敏材料內(nèi)部產(chǎn)生非線性的“光-物質(zhì)”相互作用，從而加工出微納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。該方法具有超高加工精度，可以制造任意形狀的精密3D 微結(jié)構(gòu)且無(wú)需光學(xué)掩膜。因此，飛秒激光雙光子聚合技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制造復(fù)雜功能的三維微納米光學(xué)器件。Wu 等人使用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)對(duì)光刻膠（SU-8）進(jìn)行加工，得到了非球面輪廓的微透鏡陣列［12］，透鏡具有高數(shù)值孔徑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高密集度透鏡陣列。Sun 等人利用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制備了100% 填充率的非球面微透鏡陣列［13］，解決了常規(guī)技術(shù)無(wú)法在幾微米到幾十微米的區(qū)域內(nèi)確定復(fù)雜透鏡輪廓的問(wèn)題。透鏡輪廓的平均誤差僅僅偏離理論模型17. 3 nm，是目前報(bào)道的最小誤差。Wu 等人利用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)快速制備了三種高效相型分形區(qū)帶板［14］，提高了具有多焦特性相位分形透鏡的成像能力。為了提高飛秒激光的加工速度，Yang 等人利用飛秒激光全息技術(shù)，通過(guò)多焦點(diǎn)并行加工得到微透鏡陣列［15］。隨后，本課題組設(shè)計(jì)了三角型分布的焦點(diǎn)陣列，實(shí)現(xiàn)了并行加工，制備了半球狀微透鏡陣列［16］，然后提出了一種顯著改善焦陣均勻性的改進(jìn)算法，制備了均勻度高的微透鏡陣列［17］，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量微透鏡陣列的快速加工。雖然研究者們已經(jīng)利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)了半球形微透鏡陣列的快速、高精度加工，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣成像，但是圖案化成像微透鏡還沒(méi)有被加工出來(lái)。

為制備可產(chǎn)生圖案化焦點(diǎn)的微透鏡，本文利用飛秒激光雙光子聚合方法在光刻膠（SZ2080）中加工圖案化微透鏡，克服了傳統(tǒng)加工方法加工工藝復(fù)雜、制造技術(shù)昂貴、圖案設(shè)計(jì)方面有限制等缺點(diǎn)。制備的圖案化微透鏡結(jié)構(gòu)均勻、表面形貌良好，可以產(chǎn)生很好的圖案化焦點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 為本文設(shè)計(jì)的飛秒激光雙光子聚合加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。光源采用美國(guó)Coherent 公司生產(chǎn)的Chameleon 型激光設(shè)備，基于Chameleon 一體鈦寶石，使激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬達(dá)680～1 080 nm。本實(shí)驗(yàn)中采用的飛秒激光光源的中心波長(zhǎng)為800 nm，脈沖寬度為75 fs，最大輸出功率為4. 5 W。能量單元由格蘭泰棱鏡和λ/2波片組成，通過(guò)調(diào)節(jié)能量單元來(lái)控制激光功率，進(jìn)而滿足加工需求。激光束通過(guò)lens1 和lens2 進(jìn)行光束整形，縮小光束尺寸，然后經(jīng)過(guò)反射鏡，通過(guò)50×物鏡（Olympus，NA=0. 8）聚焦到樣品材料上進(jìn)行雙光子聚合加工。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中放置樣品的三維移動(dòng)臺(tái)由德國(guó)PI 公司生產(chǎn)的數(shù)字PZT控制器和納米移動(dòng)平臺(tái)P-527. 3CL 兩部分組成。通過(guò)PC 對(duì)軟件的控制可以靈活方便地調(diào)節(jié)三維平臺(tái)的移動(dòng)，滿足實(shí)驗(yàn)中對(duì)材料加工位置的要求。

圖1 飛秒激光雙光子聚合技術(shù)加工系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram for fabrication of microlens by femtosecond laser two-photon polymerization

3 實(shí)驗(yàn)步驟

飛秒激光雙光子聚合能夠簡(jiǎn)單、可編程的制造任意形狀的3D 微結(jié)構(gòu)［18］，因此在光柵［19］、波帶片、微流體器件［20］、微型機(jī)械［21］和生物［22］等領(lǐng)域的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)加工中發(fā)揮著重要作用。

本實(shí)驗(yàn)中，飛秒激光雙光子聚合加工圖案化微透鏡的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）基底處理。為了避免加工時(shí)由于灰塵導(dǎo)致的光路散射、畸變和偏轉(zhuǎn)，加工前將玻片用丙酮或者乙醇清洗，并超聲處理10 min，然后使用潔凈壓縮空氣對(duì)玻片進(jìn)行風(fēng)干處理，得到干凈的玻片基底。

（2）材料準(zhǔn)備。 實(shí)驗(yàn)中用到的光刻膠（SZ2080，由IESL-FORTH，Greece 提供）具有穩(wěn)定性好、機(jī)械性能高、不易變形等優(yōu)點(diǎn)。用移液器吸取10 μL 的SZ2080 光刻膠，置于處理過(guò)的玻片中心，然后將載有光刻膠的玻片在加熱板上100 ℃下烘45 min 后取出，最后將烘好的樣品固定于三維移動(dòng)臺(tái)上。

（3）圖案化微透鏡的設(shè)計(jì)加工。如圖2 所示，使用三維畫(huà)圖軟件CAD 對(duì)微透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)，微透鏡的截面形狀按照球面波透鏡設(shè)計(jì)，即：

其中：f是透鏡焦距，k為波 數(shù)，x和y分別為透鏡在垂直光線傳播方向平面上的橫縱坐標(biāo)。

圖2 微透鏡的圖案化設(shè)計(jì)Fig. 2 Patterned microlens design

通過(guò)改變球面波因子可以得到截面形狀復(fù)雜的透鏡。如圖2（a）所示，首先設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的直線類(lèi)圖形，將球面波相位在平面進(jìn)行拉伸合并，設(shè)計(jì)出“一”字形微透鏡。在簡(jiǎn)單的直線圖案基礎(chǔ)上，將兩個(gè)“一”字形透鏡疊加，即可獲得如圖2（b）所示“十”字形微透鏡。對(duì)于曲線類(lèi)微光學(xué)透鏡，將球面波因子沿曲線進(jìn)行拉伸合并，可以得到如圖2（c）所示的環(huán)形微透鏡和如圖2（d）所示的特殊圖案笑臉形微透鏡。設(shè)計(jì)完成后，將不同圖案的微透鏡空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)另存為STL 格式文件。在STL 文件中，3D 圖形被分割成圖層，并對(duì)每個(gè)圖層進(jìn)行柵格填充，STL 的掃描方式為沿著長(zhǎng)軸方向掃描，可以避免移動(dòng)臺(tái)往返運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)果失真。使用控制電腦將STL 文件中微透鏡的空間位置坐標(biāo)讀取出來(lái)，然后控制壓電臺(tái)的三維移動(dòng)，遍歷這些空間坐標(biāo)。加工功率為7 mW，曝光時(shí)間為2 ms。利用雙光子聚合對(duì)光刻膠進(jìn)行加工，激光掃過(guò)的部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，CCD 用于實(shí)時(shí)觀測(cè)加工的結(jié)構(gòu)。當(dāng)掃描xy步距太大時(shí)，透鏡結(jié)構(gòu)不夠光滑，粗糙度大；當(dāng)掃描xy步距為0. 2 μm，加工時(shí)間太長(zhǎng)；因此，本實(shí)驗(yàn)采用掃描xy步距為0. 5 μm，z步距為0. 8～1. 5 μm，不僅可以保證微透鏡結(jié)構(gòu)光滑，而且極大地提高了加工速度。加工結(jié)束后，將樣品置于正丙醇顯影液中浸泡30 min，除去未發(fā)生聚合反應(yīng)的光刻膠，最后取出樣品，用加熱板烘干樣品，獲得圖案化的微透鏡，如圖3 所示。

圖3 所示為飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制備的微米級(jí)圖案化微透鏡。如圖3（a）是加工的“一”字形微透鏡，從左端起始到右端結(jié)束，整體結(jié)構(gòu)均勻，形狀飽滿，周邊沒(méi)有因加工引起凸起或凹陷，成像質(zhì)量很高。圖3（b）是十字形圖案微透鏡，十字形中心的結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，無(wú)異常凹陷凸起，邊緣平整光滑。圖3（c）是簡(jiǎn)單曲線圖案的環(huán)形微透鏡，環(huán)形微透鏡整體結(jié)構(gòu)一致，沒(méi)有任何拼接的痕跡，避免了由于拼接痕跡帶來(lái)的部分成像缺失問(wèn)題。如圖3（d）所示，笑臉型微透鏡表面光滑且表面形態(tài)良好。從SEM 照片可以看出，該方法加工的微透鏡表面光滑，具有很高的表面質(zhì)量和良好的表面形態(tài)，可以用于進(jìn)一步的成像測(cè)試。

圖3 圖案化微透鏡的SEM 圖Fig. 3 SEM images of processed patterned microlens

4 成像測(cè)試

成像測(cè)試系統(tǒng)如圖4（a）所示，下方LED 點(diǎn)光源發(fā)射的光線照射在微光學(xué)元件的底部。由于點(diǎn)光源和微光學(xué)原件距離較遠(yuǎn)且光學(xué)元件面積較小，因此可以近似為平行光入射到微光學(xué)元件底部，然后光線經(jīng)過(guò)微光學(xué)原件的聚焦在元件上方聚焦成預(yù)先設(shè)計(jì)的光學(xué)圖樣。此圖樣被上方物鏡（物鏡為20×，大恒光電）和CMOS（MVSUA31GC-T，MindVision）組成的成像系統(tǒng)所接收。

將不同圖案的透鏡置于LED 光源上方，上下移動(dòng)微透鏡，通過(guò)CCD 觀察到微透鏡聚焦出來(lái)清晰圖案，“一”字形透鏡、“十”字形微透鏡、環(huán)形微透鏡和笑臉形微透鏡聚焦出來(lái)的圖案分別如圖4（b）～4（e）所示。成像測(cè)試結(jié)果表明，利用飛秒激光雙光子技術(shù)加工圖案化微透鏡是可行的，并且加工的圖案化微透鏡可以聚焦出來(lái)相應(yīng)的圖案。最后對(duì)聚焦的“一”字形圖案進(jìn)行光強(qiáng)均一化分析，結(jié)果如圖4（f）所示。光強(qiáng)一致的焦點(diǎn)圖案表明，所加工透鏡結(jié)構(gòu)均勻。

圖4 微透鏡成像測(cè)試Fig. 4 Imaging test of microlens

5 結(jié) 論

本文基于飛秒激光雙光子聚合技術(shù)在SZ2080 光刻膠中進(jìn)行了圖案化微透鏡的制備，并對(duì)圖案化的微透鏡進(jìn)行SEM 表征、成像測(cè)試表征和光強(qiáng)均一化分析。結(jié)果表明，制備的圖案化微透鏡結(jié)構(gòu)均勻，可以聚焦得到光強(qiáng)均勻的圖案化焦點(diǎn)。利用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)加工圖案化微透鏡是切實(shí)可行的，采用加工功率為7 mW，曝光時(shí)間為2 ms，掃描xy步距為0. 5 μm，z步距為0. 8～1. 5 μm，不僅保證了微透鏡的結(jié)構(gòu)光滑，而且實(shí)現(xiàn)了微透鏡的快速加工。該技術(shù)不僅可以直接在光刻膠上制備三維圖案化微透鏡，而且還可以在玻璃管道里制備精細(xì)微透鏡結(jié)構(gòu)，將在微流體芯片、集成光學(xué)、光束整形等方面發(fā)揮重要作用。