飛秒激光打印分辨率小于衍射極限的光學(xué)元件

作為21世紀(jì)的一種賦能技術(shù)，3D打印不依賴于復(fù)雜且昂貴的傳統(tǒng)工具加工，具有一步成型的加工特點(diǎn)，在快速成型與制造領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎。3D打印不僅能對(duì)加工原型實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估，并且在中-低規(guī)模的生產(chǎn)中，其生產(chǎn)效率也高于傳統(tǒng)制造方式。在多數(shù)情況下，與傳統(tǒng)的組裝件相比，3D打印的部件重量更輕，整體機(jī)械穩(wěn)定性更好。盡管3D打印的零部件已經(jīng)獲得了許多應(yīng)用，但是由于加工精度低和缺乏合適的材料，打印具有光學(xué)功能的元器件仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

然而，飛秒激光誘導(dǎo)的雙光子吸收，能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級(jí)的打印分辨率，從而可以實(shí)現(xiàn)真正的高精度3D打印。[1]飛秒激光3D打印，是將激光束聚焦到盛有液體膠的特殊玻璃或高分子容器中。由于雙光子或多光子吸收，液體膠僅在激光焦點(diǎn)區(qū)域被光固化，以此實(shí)現(xiàn)高精度3D打印。目前，多多數(shù)的3D打印使用的是逐層打印技術(shù)，與此相比，飛秒激光高精度3D打印技術(shù)，在固體材料內(nèi)部和表面都有一樣的打印效果，因此不僅可以實(shí)現(xiàn)增材制造，也可以實(shí)現(xiàn)減材制造。

圖1：高精度3D打印對(duì)構(gòu)件的尺寸、復(fù)雜度、形狀及襯底都具備很高的加工自由度。打印的結(jié)構(gòu)如電鏡圖所示：（a）任意排列的亞微米結(jié)構(gòu)；（b）具有確定角度的微米級(jí)錐形光導(dǎo)結(jié)構(gòu)；（c）由1毫米鏡頭組裝而成的宏觀結(jié)構(gòu)；（d）一步成型的微透鏡堆疊結(jié)構(gòu)（圖中的構(gòu)件被部分剪切掉，以展示打印構(gòu)件的不同局部）；（e）1cm×1cm鏡頭陣列，用于復(fù)刻制作的母版；（f）用于光束整形的圓柱形微透鏡，該微透鏡直接打印在分布式反饋激光器激光發(fā)射端面上（圖中的分布式反饋激光器來(lái)自nanoplus公司）。

高精度3D打印將微納米制造和傳統(tǒng)制造有機(jī)地連接起來(lái)，其打印的分辨率小于衍射極限，打印的元器件的尺寸可以從亞微米擴(kuò)展到厘米范圍。高精度3D打印技術(shù)能夠制造高寬比高達(dá)43:1的結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)控制焦點(diǎn)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速制造，因而能夠打印出傳統(tǒng)方法無(wú)法制造的超高質(zhì)量的微光學(xué)、微流體及其他功能部件。

分辨率和可擴(kuò)展性

高精度3D打技術(shù)于1997年被報(bào)道。[2]隨著國(guó)際上多個(gè)學(xué)術(shù)研究小組進(jìn)入該領(lǐng)域研究，高精度3D打印技術(shù)一直處于穩(wěn)步推進(jìn)發(fā)展中。目前高精度3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以適用于工業(yè)應(yīng)用的水平。由于雙光子吸收效應(yīng)于達(dá)到光聚合閾值的激光焦點(diǎn)區(qū)域，并且雙光子吸收的概率正比于激光功率的二次方，因此最小的打印尺寸可低于衍射極限，達(dá)到百納米的精度。[3]這種打印的最小尺寸又叫做體元，就是這些一個(gè)個(gè)小的體元，最終構(gòu)成了宏觀的功能部件。通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率、光路中的聚焦光學(xué)元件、制造方法及加工原料，可以實(shí)時(shí)調(diào)整最小打印尺寸的大小。

用于高精度3D打印的激光直寫(xiě)技術(shù)，由于其高效的產(chǎn)出，不依賴掩模的數(shù)字化數(shù)據(jù)預(yù)處理，無(wú)論對(duì)構(gòu)件的尺寸、復(fù)雜度、結(jié)構(gòu)化的區(qū)域及襯底都具備很高的加工自由度（見(jiàn)圖1）。圖1（a）-（c）展示了3D打印結(jié)構(gòu)在尺寸上的可伸縮性，如圖1a是任意排列的亞微米結(jié)構(gòu)，圖1b是微米級(jí)的圖形，圖1c則是將直徑1mm的透鏡集成到一個(gè)具有校準(zhǔn)功能盒體中形成的一個(gè)宏觀結(jié)構(gòu)。

高精度3D打印是一種真正意義上的3D制造。如圖1d這種復(fù)雜的堆疊微透鏡組，只需要一步成型，而傳統(tǒng)的方法是將一個(gè)個(gè)光學(xué)元件相互對(duì)齊排列起來(lái)搭建透鏡組結(jié)構(gòu)。這種堆疊的微透鏡組結(jié)構(gòu)在醫(yī)學(xué)上可以用作內(nèi)窺鏡，傳統(tǒng)的搭建方法很容易造成內(nèi)窺鏡的透鏡組結(jié)構(gòu)在使用中失靈。

大規(guī)模生產(chǎn)的前提是能夠?qū)崿F(xiàn)大面積制造。通過(guò)實(shí)施精密制造方法，[4]高精度3D打印可以制造出用于紫外納米光刻的晶圓級(jí)光學(xué)元件，如透鏡陣列（如圖1e，為1cm×1cm的透鏡組），或者制造用于諸如注塑、熱壓等其他大規(guī)模生產(chǎn)的復(fù)制模具。

此外，通過(guò)合適的設(shè)計(jì)，高精度3D打印可以實(shí)現(xiàn)直接大規(guī)模生產(chǎn)制造。與其他3D打印技術(shù)不同，高精度3D打印不是逐層打印，因此不涉及材料的去除步驟，所以也就不受基板的限制。如圖1f，用于光束整形的微透鏡直接打印在分布式反饋激光器發(fā)射端面上（激光器來(lái)自nanoplus公司），用來(lái)補(bǔ)償由于快慢軸傳播引起的橢圓光束。

盡管用傳統(tǒng)的微距鏡頭也可以把畸變的光束整形成球面波，但是高精度3D打印可以在諸如波導(dǎo)、光纖、探測(cè)器等任何主動(dòng)或被動(dòng)元器件的端面打印需要的器件，因而為設(shè)計(jì)新的小型化器件及產(chǎn)品封裝提供了很高的自由度。此外，也可以打印合束器之類的器件，將多個(gè)波長(zhǎng)的光束合并輸出，其在片上實(shí)驗(yàn)室（lab-on-chip）上可以得到很好的應(yīng)用。

圖2：高精度3D打印成型的高寬比在2:1到43:1范圍的結(jié)構(gòu)。高精度3D打印技術(shù)可以打印出高度從毫米到厘米范圍的結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)更大的高寬比。

大高寬比結(jié)構(gòu)

大高寬比結(jié)構(gòu)特別適用于三維微機(jī)電系統(tǒng)。微機(jī)電結(jié)構(gòu)一般通過(guò)LIGA（LIGA是德文Lithographie、Galvanoformung和Abformung三個(gè)詞，即光刻、電鑄和注塑的縮寫(xiě)）工藝實(shí)現(xiàn)，主要用到SU-8光刻膠和鉻掩膜板。LIGA工藝包括好幾個(gè)工藝流程，其中挑戰(zhàn)性的步驟就是在基板上均勻地涂上幾百微米厚的光刻膠。例如，最小打印寬度為1μm時(shí)，在基板上涂100μm厚的光刻膠，就可以實(shí)現(xiàn)100:1的高寬比結(jié)構(gòu)。然而，構(gòu)件高度越高，需要涂覆的光刻膠就越厚，制造難度就越大。

與LIGA工藝相比，高精度3D打印是將激光束聚焦到液體光刻膠中。液體光刻膠盛在容器中，容器的深度范圍在從毫米量級(jí)到厘米量級(jí)。當(dāng)激光束由上而下聚焦到光刻膠中時(shí)，容器深度由顯微鏡物鏡的工作距離決定；當(dāng)激光束由下而上聚焦到光刻膠中時(shí)，容器深度則由運(yùn)動(dòng)軸的行程決定。高精度3D打印的這種工作方式，可以很容易地打印出高度為厘米量級(jí)的構(gòu)件。當(dāng)打印高度大于100μm的大高寬比構(gòu)件時(shí)，還需要考慮另一個(gè)因素——光刻膠的穩(wěn)定性。高精度3D打印通常使用的是液態(tài)光刻膠，如ORMOCERs。ORMOCERs是一種無(wú)機(jī)-有機(jī)混合的聚合物，具有玻璃般的透光性和硬度。

高精度3D打印可以打印出高寬比為1:1或2:1的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，也可以打印出高寬比為16:1的墻壁結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。這種墻壁結(jié)構(gòu)寬5μm，高80μm，是通過(guò)無(wú)限視場(chǎng)（Infinite Field of View，IFOV）模式加工而成。無(wú)限視場(chǎng)是一種智能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，它通過(guò)控制掃描振鏡和位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)的同步偏轉(zhuǎn)。無(wú)限視場(chǎng)這種加工模式，使得打印尺寸大于物鏡視場(chǎng)范圍的元件成為可能。圖2給出的高寬比為16:1的例子中，打印的墻壁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度就是物鏡視場(chǎng)的4倍。當(dāng)然，也可以打印高寬比為20:1的結(jié)構(gòu)，如圖2所示的針狀結(jié)構(gòu)。這種針狀結(jié)構(gòu)高100μm，底座5μm×5μm，可以將外部光源導(dǎo)入到活體標(biāo)本中，用于活體細(xì)胞的光激發(fā)研究。這種針狀結(jié)構(gòu)也可以作為原子力顯微鏡的懸臂，用于評(píng)估特殊的形貌結(jié)構(gòu)。

除了以上幾種結(jié)構(gòu)，還可以打印等值曲面結(jié)構(gòu)。等值曲面的打印，先用激光固化光刻膠，形成一個(gè)封閉的殼體結(jié)構(gòu)，然后沖洗掉未曝光的光刻膠。顯影之后，用紫外燈曝光殼體內(nèi)部的光刻膠，使殼體與內(nèi)部形成均勻連接。用這種方法打印微透鏡組，每個(gè)透鏡的加工時(shí)間只需1~5s，[5]其打印效率比傳統(tǒng)加工方法提升了95%。

圖2中右上方給出的是3D打印的高寬比為43:1的柱面結(jié)構(gòu)，該柱面高1.7mm，直徑2mm。該柱面結(jié)構(gòu)也是通過(guò)無(wú)限視場(chǎng)模式打印的，柱面的圓周結(jié)構(gòu)由線性位移平臺(tái)和激光焦點(diǎn)的徑向偏轉(zhuǎn)配合形成的圓周運(yùn)動(dòng)打印而成，這種打印方法也叫做軌道光束操控。為了展示柱面結(jié)構(gòu)的壁厚為0.04mm，所以沒(méi)有打印柱面結(jié)構(gòu)上面的蓋子。打印這種類似結(jié)構(gòu)的效率為3.6mm3/h，當(dāng)然也可以通過(guò)光束整形工具將光束分束，或者整形成平頂光束來(lái)進(jìn)一步提高打印效率。

值得注意的是，圖2中給出的微結(jié)構(gòu)只是用來(lái)展示大高寬比結(jié)構(gòu)的幾個(gè)例證，并不是極限案例。圖中顯示的高寬比43:1，也不是極限值。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以打印更大的高寬比結(jié)構(gòu)，寬度尺寸甚至能縮小到亞微米量級(jí)。

結(jié)論

高精度3D打印由于打印精度高，對(duì)打印的尺寸、復(fù)雜度、形狀及襯底具備良好的加工自由度，將越來(lái)越多地用于工業(yè)應(yīng)用中。高精度3D打印的分辨率小于衍射極限，打印的元器件尺寸可以從亞微米擴(kuò)展到厘米范圍，因此微光學(xué)應(yīng)用中的光學(xué)質(zhì)量表面結(jié)構(gòu)的3D打印，將是主要應(yīng)用。高精度3D打印技術(shù)能夠制造出高寬比達(dá)43:1的結(jié)構(gòu)，并且能夠通過(guò)控制焦點(diǎn)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速制造，因而能夠打印出超高質(zhì)量的微光學(xué)、微流體及其他功能部件。這樣一種*的加工方式，其加工能力是傳統(tǒng)加工方法所無(wú)法企及的。