摘要:

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1.文章导读

现代光学成像系统的持续进步，对兼具复杂功能与精密制造工艺的成像元件提出了迫切需求。尽管多种微纳加工技术相较于传统方法已展现出显著优势，但在实现纳米级分辨率与自由设计复杂微光学结构方面，仍面临关键性技术挑战。飞秒激光直写技术（Femtosecond direct laser writing, FsDLW）凭借非线性多光子吸收机制，可突破光学衍射极限，实现复杂微纳结构的制备，为应对上述挑战提供了突破性解决方案。该技术具备材料兼容性广、微纳加工尺度灵活、真三维结构成型能力优异等独特优势。目前，FsDLW技术已成功应用于多种微光学成像元件的制造。本文系统阐述了FsDLW技术在微光学元件制备中的基本方法，全面综述了相关材料体系的研究进展，并重点评述了微光学成像器件及其新兴应用领域的最新发展动态。最后，本文针对成像光学元件领域现存的技术挑战与未来发展方向进行了前瞻性分析。

图1（a）展示了一个典型的飞秒激光直写系统，该系统主要由激光光源、光路系统和三维可移动平台三部分组成。加工前，衬底被固定于可移动位移台上，激光束经光学透镜聚焦至基板表面。通过衰减片调节激光能量，并利用机电快门控制激光束的开启与关闭。根据激光与物质相互作用的基本原理，利用激光加工制造微光学器件的技术可分为三种不同类型：双光子聚合光刻技术（two-photon polymerization lithography，TPP），飞秒激光刻蚀技术（femtosecond laser ablation，FLA），以及飞秒激光热膨胀技术（femtosecond laser swelling，FLS）。经过激光加工的材料，可结合表面修饰、热退火或刻蚀工艺进一步优化结构表面质量，从而制备出性能优异的微光学元件。

图1 飞秒激光制备成像型微光学元件的方法

用于成像组件的材料通常具有较宽的带隙，在飞秒激光照射下能够引发非线性光学效应。根据其响应机制，可将其分为三类：光聚合材料、激光烧蚀材料和激光膨胀材料，如图2所示。为了与飞秒激光微加工技术兼容，材料必须满足以下条件：（1）在加工和操作波长下具有高透明度，（2）具有极佳的表面质量以减少光散射，（3）具有出色的物理化学稳定性，以在恶劣环境中保持光学性能。

图2 飞秒激光制备成像型微光学元件的材料

根据几何结构的不同，微光学成像元件可分为多种类型，包括折射型微透镜、平面微光学阵列、曲面复眼、衍射型光学元件（如菲涅尔透镜、菲涅尔波带片、超透镜）、折射与衍射复合型元件，以及反射式光学元件，如图3所示。各类器件因其独特的结构特征，在诸多前沿领域展现出广阔的应用潜力。例如，基于仿生原理设计的曲面复眼可实现大视场成像，平面微光学阵列在波前传感与光场调控方面具有独特优势，而衍射型元件则因其轻薄结构和灵活的光束调控能力，被广泛应用于光纤光学与集成光学系统。此外，折射与衍射复合结构可进一步提升成像质量与设计自由度，反射式元件则在特定波段或特殊应用场景中表现出不可替代性。这些微光学成像元件正逐步推动仿生复眼相机、微流控芯片、光场成像系统及高性能波前传感器等前沿器件的创新发展。

图3 成像型微光学元件分类及应用

尽管采用FsLDW技术制备成像型微光学元件已取得显著成就，但在技术深化与工业化推进方面仍面临重大挑战。如图4所示，未来发展可围绕以下四个关键方向展开：（1）拓展材料体系。通过在光刻胶内部掺杂纳米颗粒或发光材料，可提高结构机械稳定性，推动彩色微光学器件的发展；（2）实现大规模批量制备。这是推动光学元件走出实验室、迈向实际应用的必由之路。一方面可通过多焦点并行加工与区域分割策略提升加工效率，另一方面可借助人工智能技术建立材料特性、激光参数与结构形态及性能之间的关联模型，缩短新材料研发周期；（3）制造高精度高质量结构。可将人工智能与光谱实时监测模块集成于激光加工系统，基于采集的光谱信号分析结构缺陷，并利用物理信息神经网络对激光脉冲能量、扫描路径及重复频率进行自适应调控；（4）推动应用落地与创新探索。通过多学科交叉融合，进一步拓展成像型微光学元件在虚拟现实、可穿戴成像系统及实时工业检测等领域的应用。

 

 

图4 飞秒激光制备成像型微光学元件的未来挑战