Rapid Fabrication of Continuous Surface Fresnel Microlens Array by Femtosecond Laser Focal Field Engineering

——||导读||——

2020年2月，北京大学、山西大学等机构研究人员，在INSTRUMENTS & INSTRUMENTATION发表了题为“Rapid Fabrication of Continuous Surface Fresnel Microlens Array by Femtosecond Laser Focal Field Engineering”的文章。

——||背景介绍||——

飞秒激光直接通过二光子聚合技术已经广泛地应用于三维微结构的精密制造中，但通常是耗时的。利用飞秒激光三维聚焦场技术能够快速制备连续表面菲涅耳透镜阵列，通过对整个结构的二维切片进行连续光子聚合，一维扫描得到相应的二维强度分布。最后形成整体结构。

这种设计思路是来自于SLM上加载相位能够实现聚焦场的光场调控，通过控制SLM上加载的相位不同，并配合位移平台能够实现三维结构的快速加工成型。除了这种加工方式以外，为了提高加工效率，添加振镜也能够实现较快速度的加工。（这种加工方式和振镜扫描的方式，在精度和速度方面的对比情况）。

菲涅耳透镜实际应用在集成光学系统,如太阳能蒸馏浓缩器,光多路复用器/解复用器,红外激光光束扫描系统和高能宇宙射线荧光检测器观察。菲涅耳透镜阵列广泛应用于扫描仪、电荷耦合器件(CCD)图像传感器和热释电红外传感器等各种光学器件中，在大规模并行计算机的光互连方面具有巨大的潜力。

——||创新点||——

该论文将SLM和激光直写技术结合在一起，提供了一种快速制造连续菲涅尔透镜阵列的方法，此外通过退火的方法改善加工效果，并设计实验验证改善后菲涅尔透镜阵列良好的光学特性。

——||图文一览||——

图1.连续菲涅尔透镜结构示意图。

通过激光直写的方式加工连续型的菲涅尔透镜，与加工常规的多台阶的菲涅尔透镜是不同的，这种加工特点正是激光直写所具备的，传统的加工方法对于这种存在很大的题。

激励源为飞秒激光(PH1-20)，在1030 nm产生240个fs脉冲，重复频率为1 MHz。入射光由空间光调制器(SLM)调制(X13138-03，滨松光电子株式会社，滨松，日本)，并由4f系统投射到数值孔径为1.4的油浸物镜的瞳孔上(UPLSAPO 100, Olympus, Tokyo, Japan)。4f系统由两个焦距分别为1000mm (L1)和400mm (L2)的透镜组成。为了通过空间滤波去除不需要的衍射阶数，在4f系统中设置了一个孔径。在调制、投影、滤波和聚焦之后，激光被聚焦到光刻胶中(SZ2080, FORTH, Heraklion，希腊)。XYZ-stage (FG1000-3D, Aerotech，匹兹堡，美国)将样品转化为控制抗蚀剂中焦点场的相对位置。发光二极管(LED)和CCD用于定位曝光位置和观察聚合过程。

图2. 实验原理示意图。

图3.菲涅尔透镜阵列实验结果

(a) 5×5透镜阵列的俯视图扫描电镜(SEM)图像;(b) 3×3透镜阵列45°侧视图SEM图像;(c) 3×3透镜阵列中透镜的放大SEM图像。

图4.不同退火温度对结构的影响

图5.实验效果展示

(a)未退火透镜阵列的焦点;(b)未经退火的5*5透镜阵列的标志图像;(c)在120c退火的5*5个透镜阵列的焦点;(d)在120c退火的5*5个透镜阵列的标志图像;(e)在130℃退火的5*5个透镜阵列的焦点;(f)在130度退火的5*5个透镜阵列上的徽标图像。插图显示箭头所指的放大图像。

——||结论||——

采用SLM和激光直写技术的结合制造菲涅尔透镜阵列，并对透镜阵列的光学特性进行了实验验证。对于我们在检验光学元件的光学特性具有参考价值。

论文链接：DOI：10.3390/mi11020112

报告人：涂谱