飛秒激光直寫是利用飛秒激光的超快脈沖和超強瞬時能量進行微納米加工的技術。它具有超衍射極限的加工精度、豐富的可加工材料，非線性多光子吸收等多種優異特性，使其在三維微納米制造中具有獨特的優勢，可以滿足對具有復雜表面輪廓和納米級表面粗糙度的微光學元件和立體系統的加工需求。本文綜述了近年來利用飛秒激光直寫技術制備微光學元件和系統的研究進展，并對飛秒激光直寫微光學元件的未來發展趨勢進行了總結和展望。

隨著現代信息技術的發展，對具有復雜表面輪廓、納米級表面粗糙度的成像和非成像微光學元件的需求日益劇增，這推動了各種微納米加工技術的發展。飛秒激光直寫作為一種常用的微納米立體結構加工方式具有其獨特的優勢：

1、飛秒激光直寫具有超越衍射極限的加工精度，能滿足微光學元件表面精度和粗糙度的要求；

2、飛秒激光具有穿透表面進行真三維加工的能力，可以制作各種復雜光學元件和立體系統；

3、飛秒激光直寫可加工材料種類豐富，包括聚合物、金屬、陶瓷和硬脆材料(玻璃、藍寶石)等。

本文總結了近年來利用飛秒激光直寫技術制備微光學元件和系統的研究進展，對飛秒激光直寫的三種典型加工方式、提高加工性能的方法和各種加工材料進行了詳細介紹，并重點聚焦了飛秒激光直寫技術在各種成像/非成像微光學元件及其立體系統的應用。最后對飛秒激光直寫微光學元件的未來發展趨勢進行了展望。

飛秒激光直寫技術

飛秒激光直寫系統的示意圖如圖1所示。以此為基礎，飛秒激光直寫可以分為雙光子聚合，激光燒蝕和激光改性三種不同的加工方式。雙光子聚合是一種利用超快飛秒激光與聚合材料作用實現三維微結構精確控制的技術。雙光子吸收的非線性效應使其具有超過衍射極限的加工精度。

激光燒蝕是利用飛秒激光超高峰值強度和超短脈沖寬度來實現的。在激光燒蝕過程中，飛秒激光誘導材料快速電離，產生高溫、高壓、高密度的等離子體，實現材料的非熱燒蝕，形成燒蝕點凹陷。激光改性是指飛秒激光在致密結構材料內聚焦時，使聚焦區域內材料在吸收能量后某些性質如折射率、非線性系數、熒光信號等發生變化。激光改性不改變材料的形狀，是飛秒激光直寫的一種獨特的加工方式。

圖 1：飛秒激光直寫系統及雙光子聚合、激光燒蝕、激光改性加工原理。

適合飛秒激光直寫的加工材料也可以根據上述三種加工原理對應分為三類，如圖2所示。值得注意的是：適用于一種材料的加工方法不止一種，需要根據材料特性和目標精度的要求選擇合適的加工方式及相應的輔助方法。

圖2：加工材料分類及輔助方法

飛秒激光直寫一般為單點掃描加工方式，加工效率低下。為此可以采用一些優化方法提高加工效率，如高速體素調制掃描(HVLS)、多點并行加工(MSPP)、無掩膜投影光刻(MLOP-NL)和復合3D打印方法等，這些方法從調控體素的大小、增加光斑的數量和結合多種加工方法等方面對飛秒激光加工效率進行提升。

飛秒激光直寫微光學元件和立體系統

基于上述一系列的加工優勢，飛秒激光直寫技術已被廣泛應用于制造各種成像/非成像微光學元件和立體系統。其中，微光元件根據其對光的控制能力可分為折射、反射、衍射和混合原理微光學元件。光學元件之間可以通過輔助結構形成具有豐富功能的立體光學系統。

圖3：微光學元件及光學系統中的輔助結構

基于微光學元件形成的立體系統有幾種典型的成像/非成像應用。成像應用包括集成成像系統、結合微流體的成像系統、光存儲成像系統等。如Hua Liu課題組基于混合3D打印技術，利用SU-8和PDMS材料設計并加工了結合微流體的成像系統。該系統由微通道、濾波結構、集流結構和雙曲成像透鏡組成，在多粒徑顆粒的過濾和采集顆粒的實時成像方面具有優異的性能。非成像應用包括光調制系統、光譜檢測系統和基于波導的光子芯片系統等。如Christian Koos團隊利用雙光子聚合制造用于裝配先進光子系統的微透鏡。他們在光子芯片和光纖表面印刷微透鏡，發射的光束經微透鏡調制成大直徑的光斑，從而允許較大的軸向和橫向對準公差，避免了使用昂貴的有源對準方法。

圖4：微光學立體系統成像應用

總結和展望

飛秒激光直寫技術展現出了可加工復雜三維結構的真三維加工能力、可加工材料的多樣性及超越衍射極限的加工精度等加工優勢，能夠滿足微光學元件的加工要求。目前，研究人員基于飛秒激光直寫技術加工了各種微光學元件和系統，實現了各種尖端應用。然而，面向未來，飛秒激光直寫技術仍然面臨諸多挑戰：

1，開發高效的飛秒激光加工方法。通過飛秒激光直寫加工的立體系統包含多個光學元件和輔助結構，極大增加了加工時間。因此飛秒激光的加工效率還有待進一步提升，需要開發更高效的加工方法，如增材與減材制造相結合、單點掃描與全息光調制相結合等。

2，發展各種多功能立體光學系統。如由不同材料加工形成的多材料光學系統，可以提供更大的折射率范圍、更低的色散、更高的非線性效應等；與微流控和柔性變形材料相結合的多維度微光學系統，可實現焦距可調、多功能成像等性能；與其他系統(如電氣系統等)靈活集成的多系統光學系統，可實現豐富的拓展性功能等。

綜上，為了在未來微型化器件的極小空間內實現各種成像/非成像功能，微光學元件將繼續向立體集成方向發展。因此，進一步優化和改進飛秒激光直寫技術，以開發多材料、多維度、多系統立體光學系統，對于實際和工業應用至關重要。







審核編輯：劉清