—— ||| 背景介绍 ||| ——
随着器件小型化和光器件集成的发展趋势，衍射微光器件领域由于体积小，重量轻，设计灵活，批量生产等特点，近十年来引起了人们的广泛关注。直径约为几微米的菲涅耳波带片阵列（FZPAs）作为一种聚焦和成像微光学器件，是各种微光学应用的关键部件，特别是在激光整形，光学神经网络，光互连中，液晶显示，共聚焦显微镜。已经开发出各种技术来制造菲涅耳波带片及其阵列，例如聚焦离子束蚀刻，电化学微机械，光刻等。但是，这些方法通常是复杂的多步骤过程。此外，这些方法难以将各种复杂的3D微光学器件集成到更紧凑和集成的光子电路中。飞秒直接写入技术最近被认为是将任意3D微光学器件集成到集成光学电路的有前景的方法。已经实现了各种微光学器件，例如3D光子晶体，带通滤波器和Dammann光栅。最近，许多研究人员也非常关注高质量的菲涅耳波带片阵列。虽然在高质量FZPAs方面取得了很大进展，但目前的FZPA具有低填充因子（~50％），导致严重的光损失和较低的信噪比。在实际应用中，非常需要高填充系数（N90％），尤其是100％填充系数。
—— ||| 创新与结论 ||| ——
菲涅耳波带片阵列（FZPA）作为一种重要的集成微光学器件，引起了人们的极大关注。 然而，飞秒技术对现有FZPA的填充因子有点低，导致严重的光损失和低信噪比。 在这里，我们报道了通过飞秒激光双光子聚合树脂SU-8的高填充因子方形和六边形FZPA。 它们的光学聚焦和成像特性表明这些FZPA的高均匀性和高保真度。 此外，通过最佳理论设计和实验参数证明了100％填充因子FZPA。 通过这种高质量的FZPAs，获得了清晰的成像“F”。 最后，制备了高能级相FZPA，以进一步将衍射效率提高到75％。
—— ||| 图文一览||| ——
图一 飞秒微加工系统的示意图
小结：该实验的示意图如图1所示。使用Ti-蓝宝石飞秒激光（来自Tsunami，Spectra Physics）。它产生790nm的激光脉冲锁模，持续时间为120fs，重复频率为80MHz，通过高数值孔径（NA = 1.35，油浸）物镜将其紧密聚焦到树脂中。通过双光镜组在焦平面上扫描激光光斑，并通过压电平台沿光轴扫描激光光斑，两者均由计算机控制，以使计算机图案忠实地转换成实际结构。我们采用环形扫描模式以获得更好的光学性质，因为FZPA的子区域都是圆形的。通过旋涂在已用丙酮和无水乙醇清洁的盖玻片上制备SU-8薄膜。在65℃下进行软烘烤3分钟并在95℃下进行30分钟后，蒸发溶剂并形成10μm厚的薄膜。在飞秒激光照射曝光后，在65℃至95℃的烘烤10分钟后，通过交联过程的链增长将潜在结构转化为交联的固体骨架。然后，将样品在SU-8显影剂（1-甲氧基-2-丙基乙酸酯）中显影30分钟，得到扫描的FZPA的正像。
图二 SU-8的双光子光聚合制造方形菲涅耳波带片阵列
（a）方形FZPA的鸟瞰扫描电子显微镜图像。
（b）设计的FZPA模型。
（c）在光照下观察到的FZPA的焦点阵列。
（d）焦点阵列的强度分布，显示FZPA的均匀性。
小结：显示了通过商业环氧基负性树脂SU-8双光子光聚合制造的方形菲涅耳波带片阵列的鸟瞰图扫描电子显微镜（SEM）图像。最佳激光功率约为6mW，曝光时间选择为1ms，以实现100nm单个体素。 该树脂对可见光到近红外波长的光具有高透射率，低聚合物体积收缩率，良好的机械性能（杨氏模量，E~4-5 GPa和双轴弹性模量~5.2GPa）和高热稳定性（ 降解温度~380℃），使其适用于微光学元件制造。
图三 飞秒激光直写的高质量六角菲涅耳波带片及其光学特性
（a）六角形FZPA的鸟瞰SEM图像。
（b）FZP的实体模型，密排六角形FZPAs的3D几何结构及其光学表征系统。
（c）两个字母“LA”的实际图像，“实验室”的缩写。
（d）六角形FZPA的焦点。
小结：对于方形FZPAs，填充因子定义为FZPA面积占总面积的百分比约为78.5％。六角形FZPAs是另一种FZPAs排列，其填充系数高达91％。通过计算机程序设计六角形FZPA。 FZP的实体模型和密排六边形FZPA的3D几何结构如图3（b）所示。根据设计的模型，通过点对点扫描精确地实现了六边形FZPA，如图3（a）所示。根据AFM测量，FZPA具有光滑的表面，表面粗糙度小于8nm，这确保了FZPAs的高表面质量和优异的光学性质。图3（d）显示当用532nm波长的光照射FZPA时，在微观物镜后面观察到均匀和清晰焦点的六边形阵列。为了进一步研究FZPAs的光学性能，将两个字母“LA”（缩写为“实验室”）放置在FZPAs的前面，用物镜放大图像并用CCD接收，如图3(c)所示清晰地观察到微字母“LA”的图像，其显示出高质量FZPA的优异聚焦和成像能力。
图四 通过双光子点对点写入方法制备的100％填充因子FZPAs
（a）100％填充因子FZPA的鸟瞰SEM图像。 插图是整个SEM图像。
（b）100％填充因子FZPA的设计模型。 插图是FZP单元的模型。
（c）焦点阵列。
（d）由这种高填充因子FZPA形成的清晰图像“F”。
小结：为了进一步提高光利用率，通过最佳计算机程序设计了100％填充因子FZPAs [图 通过飞秒激光双光子聚合精确制备了图4（b）]。 从图4（a）可以看出，所有FZP都是紧密堆积的，并且这些相邻的FZP之间没有间隙。 众所周知，预期100％填充因子FZPA最终利用整个入射光并提高液晶显示器的图像亮度并提高发光二极管的输出耦合效率。 此外，利用这种高填充因子FZPA，证明了清晰的图像“F”，如图4（d）所示。除填充因子外，衍射效率（定义为焦斑处的衍射光强度与入射光进入波带板的强度之比）是FZPA的另一个重要参数。 对于正方形，六边形和100％填充因子六边形FZPAs，波长为532nm的半导体激光器测得的衍射效率为33.7％，35％和33％，非常接近理论最大值的40.5％ - 等级FZP。 当实验参数被优化时，这种高衍射效率的实现可归因于飞秒激光技术的高精度。
—— ||| 点评||| ——
通过飞秒激光双光子聚合实现了密堆积的方形和六边形FZPAs。 他们的光学性质进行了系统研究。 此外，通过优化计算设计和实验参数，证明了100％填充因子FZPA。 通过这种高质量的FZPA，获得了清晰的图像“F”。 最后，制备了高能级相位型FZPA，将衍射效率提高到75％，接近理论最大值。 这项工作不仅展示了高填充因子和多层结构相结合的可行性，而且还展示了飞秒激光直写技术的出色灵活性和高精度。 具有改进的光学性能的高填充因子FZPAs可以在光通信，光学互连和集成光学电路中找到更广泛的应用。
文献链接：High fill-factor multilevel Fresnel zone plate arrays by femtosecond laser
direct writing. Optics Communications 284 (2011) 777–781. Li-Gang Niu, Dian Wang, Tong Jiang, Si-Zhu Wu, Ai-Wu Li , Jun-Feng Song
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030401810010345?via%3Dihub
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
