摘 要 为改善以往图案化透镜加工工艺复杂、制造技术昂贵、图案设计方面有限制等缺点,本文将飞秒激光双光子聚合加工技术应用于图案化微透镜的快速、高精度加工。通过球面波因子的变形设计了不同图案的微透镜,利用飞秒激光双光子聚合加工技术在光刻胶样品中加工出图案化的微透镜,然后将光刻胶样品置于显影液中去除未聚合部分,得到图案化微透镜,最后对图案化微透镜进行成像测试和光强均一化分析。将LED光源分别置于不同图案微透镜的下方,光线透过图案化微透镜成功聚焦出光强一致的焦点图案。实验结果表明,使用飞秒激光双光子聚合加工可以实现灵活可控的3D图案化微透镜结构的加工,采用加工功率为7 mW,曝光时间为2 ms,扫描xy步距为0.5 μm,z步距为0.8~1.5 μm,不仅保证了微透镜结构表面光滑,而且实现了微透镜的快速加工。该技术在加工光学超材料、光学微器件、集成光学器件等方面具有广阔的应用前景。

关键词 激光加工;飞秒激光;双光子聚合;微透镜;光刻胶

1 引言

光学器件的小型化、集成化是现代光学系统发展的重要趋势。近几十年来,作为一种重要的微光学器件,微透镜由于其体积小、质量轻、光学性能优异等优点在微成像、光束整形、人工复眼等方面的应用十分广泛。尤其是图案化透镜,它在立体显示、微流控荧光检测、增强光纤耦合效率等方面发挥着重要作用。

Iimura 等人通过构造SU-8模具对PDMS膜进行脱模,制作用于粘在玻璃基底上构成微管道的PDMS结构,通过调节注射器向微管道中引入的液体量改变柱透镜的焦距。该微流体可调柱透镜可用于切换裸眼立体显示器中的高分辨二维/三维图像。Cadarso等在SU-8微柱上喷涂光学油墨获得形状各异的柱透镜,其光学聚焦特性不同,可以将光强分布到不同的形状的微透镜上,在光学扫描系统、成像系统或芯片实验室平台方面的应用广泛。Schonbrun等人利用电子束光刻制作了图案化微透镜阵列,可产生紧聚焦的激发点并有效收集荧光发射,在微透镜的设计中增加了像散,从而使激发焦点形成一条垂直于通道方向的线。线激发可用于台式流式细胞仪,也可用于单分子检测。HU等人使用光刻,热回流,模具电铸和聚二甲基硅氧烷(PDMS)注射来制造半椭圆微透镜,增加了光纤的数值孔径,提高了对准公差和耦合效率。目前,图案化透镜加工方法都存在加工工艺复杂、制造技术昂贵、图案设计方面有限制等缺点,因此急需一种灵活可控的柱透镜制备方法。

飞秒激光双光子聚合由于具有超强、超快、超精密的特性,在微结构制备方面引起了研究者们的广泛关注。它是一种使用紧聚焦、高强度的飞秒激光在光敏材料内部产生非线性的“光-物质”相互作用,从而加工出微纳米结构的技术。该方法具有超高加工精度,可以制造任意形状的精密3D微结构且无需光学掩膜。因此,飞秒激光双光子聚合技术被广泛应用于制造复杂功能的三维微纳米光学器件。Wu等人使用飞秒激光直写技术对光刻胶(SU-8)进行加工,得到了非球面轮廓的微透镜阵列,透镜具有高数值孔径,同时实现了高密集度透镜阵列。Sun等人利用飞秒激光双光子聚合技术制备了100%填充率的非球面微透镜阵列,解决了常规技术无法在几微米到几十微米的区域内确定复杂透镜轮廓的问题。透镜轮廓的平均误差仅仅偏离理论模型17.3 nm,是目前报道的最小误差。Wu等人利用飞秒激光双光子聚合技术快速制备了三种高效相型分形区带板,提高了具有多焦特性相位分形透镜的成像能力。为了提高飞秒激光的加工速度,Yang等人利用飞秒激光全息技术,通过多焦点并行加工得到微透镜阵列。随后,本课题组设计了三角型分布的焦点阵列,实现了并行加工,制备了半球状微透镜阵列,然后提出了一种显著改善焦阵均匀性的改进算法,制备了均匀度高的微透镜阵列,实现了高质量微透镜阵列的快速加工。虽然研究者们已经利用飞秒激光实现了半球形微透镜阵列的快速、高精度加工,可以实现点阵成像,但是图案化成像微透镜还没有被加工出来。

为制备可产生图案化焦点的微透镜,本文利用飞秒激光双光子聚合方法在光刻胶(SZ2080)中加工图案化微透镜,克服了传统加工方法加工工艺复杂、制造技术昂贵、图案设计方面有限制等缺点。制备的图案化微透镜结构均匀、表面形貌良好,可以产生很好的图案化焦点。

2 实验系统

图1为本文设计的飞秒激光双光子聚合加工系统的结构示意图。光源采用美国Coherent公司生产的Chameleon型激光设备,基于Chameleon一体钛宝石,使激光器的波长调谐范围宽达680~1 080 nm。本实验中采用的飞秒激光光源的中心波长为800 nm,脉冲宽度为75 fs,最大输出功率为4.5 W。能量单元由格兰泰棱镜和λ/2波片组成,通过调节能量单元来控制激光功率,进而满足加工需求。激光束通过lens1和lens2进行光束整形,缩小光束尺寸,然后经过反射镜,通过50×物镜(Olympus,NA=0.8)聚焦到样品材料上进行双光子聚合加工。实验系统中放置样品的三维移动台由德国PI公司生产的数字PZT控制器和纳米移动平台P-527.3CL两部分组成。通过PC对软件的控制可以灵活方便地调节三维平台的移动,满足实验中对材料加工位置的要求。

飞秒激光双光子聚合方法加工图案化微透镜及其成像测试

3 实验步骤

飞秒激光双光子聚合能够简单、可编程的制造任意形状的3D微结构,因此在光栅、波带片、微流体器件、微型机械和生物等领域的复杂三维结构加工中发挥着重要作用。

本实验中,飞秒激光双光子聚合加工图案化微透镜的实验步骤如下:

(1)基底处理。为了避免加工时由于灰尘导致的光路散射、畸变和偏转,加工前将玻片用丙酮或者乙醇清洗,并超声处理10 min,然后使用洁净压缩空气对玻片进行风干处理,得到干净的玻片基底。

(2)材料准备。实验中用到的光刻胶(SZ2080,由IESL-FORTH,Greece提供)具有稳定性好、机械性能高、不易变形等优点。用移液器吸取10 μL的SZ2080光刻胶,置于处理过的玻片中心,然后将载有光刻胶的玻片在加热板上100 ℃下烘45 min后取出,最后将烘好的样品固定于三维移动台上。

(3)图案化微透镜的设计加工。如图2所示,使用三维画图软件CAD对微透镜进行设计,微透镜的截面形状按照球面波透镜设计,即:

飞秒激光双光子聚合方法加工图案化微透镜及其成像测试

其中:f是透镜焦距,k为波数,x和y分别为透镜在垂直光线传播方向平面上的横纵坐标。

通过改变球面波因子可以得到截面形状复杂的透镜。如图2(a)所示,首先设计简单的直线类图形,将球面波相位在平面进行拉伸合并,设计出“一”字形微透镜。在简单的直线图案基础上,将两个“一”字形透镜叠加,即可获得如图2(b)所示“十”字形微透镜。对于曲线类微光学透镜,将球面波因子沿曲线进行拉伸合并,可以得到如图2(c)所示的环形微透镜和如图2(d)所示的特殊图案笑脸形微透镜。设计完成后,将不同图案的微透镜空间坐标数据另存为STL格式文件。在STL文件中,3D图形被分割成图层,并对每个图层进行栅格填充,STL的扫描方式为沿着长轴方向扫描,可以避免移动台往返运动导致的结果失真。使用控制电脑将STL文件中微透镜的空间位置坐标读取出来,然后控制压电台的三维移动,遍历这些空间坐标。加工功率为7 mW,曝光时间为2 ms。利用双光子聚合对光刻胶进行加工,激光扫过的部分发生化学反应,CCD用于实时观测加工的结构。当扫描xy步距太大时,透镜结构不够光滑,粗糙度大;当扫描xy步距为0.2 μm,加工时间太长;因此,本实验采用扫描xy步距为0.5 μm,z步距为0.8~1.5 μm,不仅可以保证微透镜结构光滑,而且极大地提高了加工速度。加工结束后,将样品置于正丙醇显影液中浸泡30 min,除去未发生聚合反应的光刻胶,最后取出样品,用加热板烘干样品,获得图案化的微透镜。

飞秒激光双光子聚合方法加工图案化微透镜及其成像测试

图3所示为飞秒激光双光子聚合技术制备的微米级图案化微透镜。如图3(a)是加工的“一”字形微透镜,从左端起始到右端结束,整体结构均匀,形状饱满,周边没有因加工引起凸起或凹陷,成像质量很高。图3(b)是十字形图案微透镜,十字形中心的结构清晰可见,无异常凹陷凸起,边缘平整光滑。图3(c)是简单曲线图案的环形微透镜,环形微透镜整体结构一致,没有任何拼接的痕迹,避免了由于拼接痕迹带来的部分成像缺失问题。如图3(d)所示,笑脸型微透镜表面光滑且表面形态良好。从SEM照片可以看出,该方法加工的微透镜表面光滑,具有很高的表面质量和良好的表面形态,可以用于进一步的成像测试

4 成像测试

成像测试系统如图4(a)所示,下方LED点光源发射的光线照射在微光学元件的底部。由于点光源和微光学原件距离较远且光学元件面积较小,因此可以近似为平行光入射到微光学元件底部,然后光线经过微光学原件的聚焦在元件上方聚焦成预先设计的光学图样。此图样被上方物镜(物镜为20×,大恒光电)和CMOS(MV-SUA31GC-T,MindVision)组成的成像系统所接收。

飞秒激光双光子聚合方法加工图案化微透镜及其成像测试


将不同图案的透镜置于LED光源上方,上下移动微透镜,通过CCD观察到微透镜聚焦出来清晰图案,“一”字形透镜、“十”字形微透镜、环形微透镜和笑脸形微透镜聚焦出来的图案分别如图4(b)~4(e)所示。成像测试结果表明,利用飞秒激光双光子技术加工图案化微透镜是可行的,并且加工的图案化微透镜可以聚焦出来相应的图案。最后对聚焦的“一”字形图案进行光强均一化分析,结果如图4(f)所示。光强一致的焦点图案表明,所加工透镜结构均匀。

5 结论

本文基于飞秒激光双光子聚合技术在SZ2080光刻胶中进行了图案化微透镜的制备,并对图案化的微透镜进行SEM表征、成像测试表征和光强均一化分析。结果表明,制备的图案化微透镜结构均匀,可以聚焦得到光强均匀的图案化焦点。利用飞秒激光双光子聚合技术加工图案化微透镜是切实可行的,采用加工功率为7 mW,曝光时间为2 ms,扫描xy步距为0.5 μm,z步距为0.8~1.5 μm,不仅保证了微透镜的结构光滑,而且实现了微透镜的快速加工。该技术不仅可以直接在光刻胶上制备三维图案化微透镜,而且还可以在玻璃管道里制备精细微透镜结构,将在微流体芯片、集成光学、光束整形等方面发挥重要作用。

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