飛秒激光雙光子聚合方法加工圖案化微透鏡及其成像測試

蘇亞輝，秦天天，許 兵，吳 東

（1. 安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥230601；2. 安徽大學 電子信息工程學院，安徽 合肥230601；3. 信息材料與智能感知安徽省實驗室，安徽 合肥230601；4. 中國科學技術大學 精密機械與精密儀器系，安徽 合肥230022）

1 引 言

光學器件的小型化、集成化是現代光學系統發展的重要趨勢［1］。近幾十年來，作為一種重要的微光學器件，微透鏡由于其體積小、質量輕、光學性能優異等優點在微成像［2］、光束整形［3］、人工復眼［4］等方面的應用十分廣泛。尤其是圖案化透鏡，它在立體顯示［5］、微流控熒光檢測［6］、增強光纖耦合效率［7］等方面發揮著重要作用。

Iimura 等人通過構造SU-8 模具對PDMS 膜進行脫模，制作用于粘在玻璃基底上構成微管道的PDMS 結構，通過調節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 微柱上噴涂光學油墨獲得形狀各異的柱透鏡［9］，其光學聚焦特性不同，可以將光強分布到不同的形狀的微透鏡上，在光學掃描系統、成像系統或芯片實驗室平臺方面的應用廣泛。Schonbrun 等人利用電子束光刻制作了圖案化微透鏡陣列［6］，可產生緊聚焦的激發點并有效收集熒光發射，在微透鏡的設計中增加了像散，從而使激發焦點形成一條垂直于通道方向的線。線激發可用于臺式流式細胞儀，也可用于單分子檢測。HU 等人使用光刻，熱回流，模具電鑄和聚二甲基硅氧烷（PDMS）注射來制造半橢圓微透鏡［7］，增加了光纖的數值孔徑，提高了對準公差和耦合效率。目前，圖案化透鏡加工方法都存在加工工藝復雜、制造技術昂貴、圖案設計方面有限制等缺點，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、超快、超精密的特性，在微結構制備方面引起了研究者們的廣泛關注［10］。它［11］是一種使用緊聚焦、高強度的飛秒激光在光敏材料內部產生非線性的“光-物質”相互作用，從而加工出微納米結構的技術。該方法具有超高加工精度，可以制造任意形狀的精密3D 微結構且無需光學掩膜。因此，飛秒激光雙光子聚合技術被廣泛應用于制造復雜功能的三維微納米光學器件。Wu 等人使用飛秒激光直寫技術對光刻膠（SU-8）進行加工，得到了非球面輪廓的微透鏡陣列［12］，透鏡具有高數值孔徑，同時實現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制備了100% 填充率的非球面微透鏡陣列［13］，解決了常規技術無法在幾微米到幾十微米的區域內確定復雜透鏡輪廓的問題。透鏡輪廓的平均誤差僅僅偏離理論模型17. 3 nm，是目前報道的最小誤差。Wu 等人利用飛秒激光雙光子聚合技術快速制備了三種高效相型分形區帶板［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，通過多焦點并行加工得到微透鏡陣列［15］。隨后，本課題組設計了三角型分布的焦點陣列，實現了并行加工，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算法，制備了均勻度高的微透鏡陣列［17］，實現了高質量微透鏡陣列的快速加工。雖然研究者們已經利用飛秒激光實現了半球形微透鏡陣列的快速、高精度加工，可以實現點陣成像，但是圖案化成像微透鏡還沒有被加工出來。

為制備可產生圖案化焦點的微透鏡，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，克服了傳統加工方法加工工藝復雜、制造技術昂貴、圖案設計方面有限制等缺點。制備的圖案化微透鏡結構均勻、表面形貌良好，可以產生很好的圖案化焦點。

2 實驗系統

圖1 為本文設計的飛秒激光雙光子聚合加工系統的結構示意圖。光源采用美國Coherent 公司生產的Chameleon 型激光設備，基于Chameleon 一體鈦寶石，使激光器的波長調諧范圍寬達680～1 080 nm。本實驗中采用的飛秒激光光源的中心波長為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，通過調節能量單元來控制激光功率，進而滿足加工需求。激光束通過lens1 和lens2 進行光束整形，縮小光束尺寸，然后經過反射鏡，通過50×物鏡（Olympus，NA=0. 8）聚焦到樣品材料上進行雙光子聚合加工。實驗系統中放置樣品的三維移動臺由德國PI 公司生產的數字PZT控制器和納米移動平臺P-527. 3CL 兩部分組成。通過PC 對軟件的控制可以靈活方便地調節三維平臺的移動，滿足實驗中對材料加工位置的要求。

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

3 實驗步驟

飛秒激光雙光子聚合能夠簡單、可編程的制造任意形狀的3D 微結構［18］，因此在光柵［19］、波帶片、微流體器件［20］、微型機械［21］和生物［22］等領域的復雜三維結構加工中發揮著重要作用。

本實驗中，飛秒激光雙光子聚合加工圖案化微透鏡的實驗步驟如下：

（1）基底處理。為了避免加工時由于灰塵導致的光路散射、畸變和偏轉，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玻片進行風干處理，得到干凈的玻片基底。

（2）材料準備。 實驗中用到的光刻膠（SZ2080，由IESL-FORTH，Greece 提供）具有穩定性好、機械性能高、不易變形等優點。用移液器吸取10 μL 的SZ2080 光刻膠，置于處理過的玻片中心，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臺上。

（3）圖案化微透鏡的設計加工。如圖2 所示，使用三維畫圖軟件CAD 對微透鏡進行設計，微透鏡的截面形狀按照球面波透鏡設計，即：

其中：f是透鏡焦距，k為波 數，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。

圖2 微透鏡的圖案化設計Fig. 2 Patterned microlens design

通過改變球面波因子可以得到截面形狀復雜的透鏡。如圖2（a）所示，首先設計簡單的直線類圖形，將球面波相位在平面進行拉伸合并，設計出“一”字形微透鏡。在簡單的直線圖案基礎上，將兩個“一”字形透鏡疊加，即可獲得如圖2（b）所示“十”字形微透鏡。對于曲線類微光學透鏡，將球面波因子沿曲線進行拉伸合并，可以得到如圖2（c）所示的環形微透鏡和如圖2（d）所示的特殊圖案笑臉形微透鏡。設計完成后，將不同圖案的微透鏡空間坐標數據另存為STL 格式文件。在STL 文件中，3D 圖形被分割成圖層，并對每個圖層進行柵格填充，STL 的掃描方式為沿著長軸方向掃描，可以避免移動臺往返運動導致的結果失真。使用控制電腦將STL 文件中微透鏡的空間位置坐標讀取出來，然后控制壓電臺的三維移動，遍歷這些空間坐標。加工功率為7 mW，曝光時間為2 ms。利用雙光子聚合對光刻膠進行加工，激光掃過的部分發生化學反應，CCD 用于實時觀測加工的結構。當掃描xy步距太大時，透鏡結構不夠光滑，粗糙度大；當掃描xy步距為0. 2 μm，加工時間太長；因此，本實驗采用掃描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構光滑，而且極大地提高了加工速度。加工結束后，將樣品置于正丙醇顯影液中浸泡30 min，除去未發生聚合反應的光刻膠，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制備的微米級圖案化微透鏡。如圖3（a）是加工的“一”字形微透鏡，從左端起始到右端結束，整體結構均勻，形狀飽滿，周邊沒有因加工引起凸起或凹陷，成像質量很高。圖3（b）是十字形圖案微透鏡，十字形中心的結構清晰可見，無異常凹陷凸起，邊緣平整光滑。圖3（c）是簡單曲線圖案的環形微透鏡，環形微透鏡整體結構一致，沒有任何拼接的痕跡，避免了由于拼接痕跡帶來的部分成像缺失問題。如圖3（d）所示，笑臉型微透鏡表面光滑且表面形態良好。從SEM 照片可以看出，該方法加工的微透鏡表面光滑，具有很高的表面質量和良好的表面形態，可以用于進一步的成像測試。

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

4 成像測試

成像測試系統如圖4（a）所示，下方LED 點光源發射的光線照射在微光學元件的底部。由于點光源和微光學原件距離較遠且光學元件面積較小，因此可以近似為平行光入射到微光學元件底部，然后光線經過微光學原件的聚焦在元件上方聚焦成預先設計的光學圖樣。此圖樣被上方物鏡（物鏡為20×，大恒光電）和CMOS（MVSUA31GC-T，MindVision）組成的成像系統所接收。

將不同圖案的透鏡置于LED 光源上方，上下移動微透鏡，通過CCD 觀察到微透鏡聚焦出來清晰圖案，“一”字形透鏡、“十”字形微透鏡、環形微透鏡和笑臉形微透鏡聚焦出來的圖案分別如圖4（b）～4（e）所示。成像測試結果表明，利用飛秒激光雙光子技術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相應的圖案。最后對聚焦的“一”字形圖案進行光強均一化分析，結果如圖4（f）所示。光強一致的焦點圖案表明，所加工透鏡結構均勻。

圖4 微透鏡成像測試Fig. 4 Imaging test of microlens

5 結 論

本文基于飛秒激光雙光子聚合技術在SZ2080 光刻膠中進行了圖案化微透鏡的制備，并對圖案化的微透鏡進行SEM 表征、成像測試表征和光強均一化分析。結果表明，制備的圖案化微透鏡結構均勻，可以聚焦得到光強均勻的圖案化焦點。利用飛秒激光雙光子聚合技術加工圖案化微透鏡是切實可行的，采用加工功率為7 mW，曝光時間為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構光滑，而且實現了微透鏡的快速加工。該技術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微透鏡結構，將在微流體芯片、集成光學、光束整形等方面發揮重要作用。