—— ||| 背景介绍 ||| ——

光学材料的色散是高质量光学系统设计的基本信息。为了改善光学性能，例如成像质量和分辨率，必须考虑色散效应。特别是，通过使用飞秒激光的3D直写制造微米和纳米光学元件以及制造多元微镜头，需要精确的折射率数据。设计和制造消色差多元镜片也需要准确的色散数据。

—— ||| 创新与结论 ||| ——

由于缺少光敏材料的色散数据，需要测量不同波长的折射率并确定功能相关性。通过测量所用光刻胶的全反射的临界角，来计算光刻胶的折射率。在改进的Pulfrich折射计装置中测量全反射的临界角，该装置是临界角折射计的变体，如图1（a）所示。激光二极管产生的线性偏振光通过望远系统被引导到棱镜的底部。入射光束在棱镜底座上的角度由旋转支架控制。特别地，分析了Nanoscribe IP-Dip，微光刻胶OrmoComp，Nanoscribe IP-G，Nanoscribe IPL和Nanoscribe IP-S，五种不同光刻胶的可见光谱范围内的折射率色散。确定了Cauchy参数和阿贝数以及等效的Schott目录号。

—— ||| 图文一览||| ——

图一 用于测量全反射临界角的装置，类似于Pulfrich折射计

（a）通过测量不同光刻胶在不同波长下的临界角来获得折射率值。棱镜的折射率为n2，光刻胶的折射率为n1。

（b）折射率测量装置中角度的相关性。展示了空气（n）和prims材料（n2）的折射率。

小结：使用三角函数和Snell定律，角度γ（参见图1（b）的定义）可以通过旋转装置中的旋转角度α来计算。

其中n是周围介质（空气）的折射率，n2是棱镜材料的折射率。望远系统由两个焦距为f1 = 10 cm，f2 = 6 cm的镜头组成。两个镜头之间的距离等于两个焦距之和（f1 + f2）。

当使用60°SF-11棱镜时，棱镜背面的入射角可以计算为

临界角θc由下式给出

其中n1和n2是两种材料的折射率。对于全反射，它是n1> n2。在大于临界角θc的角度θ下入射界面的光被完全反射。

图二 测量OrmoComp和BK7玻璃在850nm波长下s偏振光的全反射临界角

小结：通过改变入射光束的角度θ，可以精确地确定临界角。使用光电二极管测量反射光的量。使用5种不同的激光二极管，在450 nm，532 nm，650 nm，780 nm和850 nm波长下具有多少输出功率。然后根据不同光刻胶在s偏振的不同入射激光波长下的角反射曲线确定临界角，以计算Cauchy的色散曲线。对于每个波长，确定棱镜/光致抗蚀剂界面的临界角点以及棱镜/参考BK7玻璃转变点，以便校准入射角的比例。为此目的，棱镜的下部涂有约1mm厚的光致抗蚀剂层，随后用紫外光照射约5分钟，在上一部分我们通过压力光学粘合BK7玻璃板。

图2显示了在850nm波长下IP-S和BK7玻璃的角度相关反射测量。 我们拟合菲涅耳方程得到的反射率的函数关系

对于测量数据的s偏振光，以确定临界角。 使用BK7的临界角值（其折射率以高精度制表）来校准角度刻度。红色曲线表示BK7玻璃的测量值，其中θc的临界角分别由SF11和BK7的波长850nm处的文献值1.7619和1.5098计算。因此相对于计算值调整轴。因此，可以精确地确定光致抗蚀剂的临界角。反射曲线与从高折射率材料到低折射率材料的转变的理论预期反射率过程（菲涅耳方程）非常一致。

表一 光刻胶Nanoscribe IP-Dip，微抗蚀剂OrmoComp，Nanoscribe IP-G，Nanoscribe IP-L和Nanoscribe IP-S的折射率值

小结：通过测量在不同波长下使用的光刻胶的全反射临界角来获得折射率值。

图三 光刻胶的色散测量

小结：测量不同波长下，光刻胶的折射率，通过使用Cauchy方程拟合折射率特性，绘制出光刻胶的色散曲线。

表二 光刻胶Nanoscribe IP-Dip，微抗蚀剂OrmoComp，Nanoscribe IP-G，Nanoscribe IP-L和Nanoscribe IP-S的柯西参数

小结：折射率与波长之间的关系是

拟合参数A，B和C总结在表2中。Cauchy方程很好地描述了折射率的测量值

表三 光刻胶Nanoscribe IPDip，微抗蚀剂OrmoComp，Nanoscribe IP-G，Nanoscribe IP-L和Nanoscribe IP-S的阿贝数νd和Schott目录号

小结：使用Cauchy方程计算阿贝数，这是光学材料色散的特征数。阿贝数定义为

其中nd，nF和nC是弗劳恩霍夫线d，F和C处材料的折射率。夫琅和费线与太阳光谱中的吸收线相关联。 d对应于587.6nm的波长，F对应于486.1nm的波长，C对应于656.3nm的波长。

—— ||| 点评||| ——

本论文测量了用于3D飞秒激光直写的五种不同光刻胶的可见光谱范围内的折射率色散。确定了Cauchy参数和阿贝数以及等效的Schott目录号。这项工作将为实现消色差3D打印光学元件铺平道路，并为使用具有定制色散特性的微光学元件打开大门。此外，这种方法代表了实现具有可调节的折射率和色散特性的新型3D可印刷材料整个阿贝图的第一步。

文献链接：Refractive index measurements of photoresists for three-dimensional direct laser writing. Optical Materials Express.7(7), 2293-2298(2017). Gissibl.T, Wagner.S, Sykora.J, Schmid.M and Giessen.H

https://www.osapublishing.org/ome/abstract.cfm?uri=ome-7-7-2293

作者简介: 黄轶，华中科技大学，博士，目前研究方向：三维激光直写技术