近年来，随着光学、光化学、光电子、纳米光子和仿生等领域中各种微纳器件的广泛开发，与之相应的3D微纳加工技术逐渐成为加工技术中的重要一环。传统的3D微纳加工技术手段主要有“自下而上”和“自上而下”两种。

其中，“自上而下”的加工手段则依据器件设计需求，利用具有较高能量的加工工具（紫外光、电子束、离子束等）对体材料进行剪裁来获得相应结构。随着半导体工业的迅速发展，各种“自上而下”式加工技术得到了深入、广泛的研发，展现了制备各种复杂微纳结构以及相应功能化器件的巨大潜力。

目前，“自上而下”式加工技术主要有光刻和纳米压印两类，这两类加工技术虽然具有良好的可扩展性和效率，但是受到加工工具对精度的限制，而且较难将结构扩展到三维。为了满足高精度、高效率的3D微纳加工需求，势必需要一种同时具备超分子自组装水平和高度可设计性的3D加工技术。

在此需求下，三维打印（Three Dimensional Printing，以下简称3D打印）技术应运而生，并作为前沿性、先导性的新兴制造技术之一，深刻地改变着传统的生产方式和生产工艺。

激光是3D打印中最强大的工具之一，而在众多激光器中，超快激光器具有超短的脉冲，能够有效抑制激光扫描区域的热效应，且会与材料内部产生非线性多光子吸收效应的特点。这就使得超快激光3D打印技术既有了高精度、高加工质量、易功能化和易集成等突出技术优点，又拥有双光子聚合加工的特殊机制优势。

如今各个应用领域的器件微型化、功能化和集成化的发展趋势，对微纳加工技术提出了巨大挑战。越来越多器件的核心设计都依赖于高度图案化的三维复杂微纳结构。超快激光3D打印技术是一种无掩膜、激光直写加工的3D加工技术，其超高的可设计性和远超光学衍射极限的高加工精度能够满足日益复杂的技术需求。

超快激光3D打印技术的多种应用

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微纳光学透镜

微凹透镜阵列结构是光学器件中的一种常见组件，具有较强的聚焦和成像能力。由于加工手段的限制，传统的微透镜阵列往往是在1个平板衬底上加工出一系列相同尺寸的凹透镜结构。由于会产生场曲，这样的1组微透镜阵列无法将1个平面物体聚焦至1个像平面上。

为了解决这一问题，2015年吉林大学的Zhen-Nan Tian等人首先设计了一系列具有渐变深度的微凹透镜单元，然后基于飞秒激光3D打印的双光子聚合原理诱导负性光刻胶SU-8对其完成了准备，如图1所示，最后通过实验证明该结构可以消除场曲所带来的像差。

图1（a）具有不同曲率的微透镜阵列的示意图；（b）微透镜阵列的焦平面

梯度折射率光学(gradient-index optics)是光学领域近年来蓬勃发展的研究分支之一，其研究的对象是非均匀折射率介质中的光学现象。Luneburg透镜为一种球对称折射率渐变分布的球透镜，使得入射到Luneburg透镜上的平行光线可以无像差地聚焦到球面上的一点，以实现无像差的理想成像或者理想聚焦。

但是，传统Luneburg透镜的制备方法主要是基于标准的电子束光刻及离子束刻蚀等平面器件加工技术，只能制备2D形式的Luneburg透镜器件，难以在光波段实现3D Luneburg透镜器件的制备。

为了得到高保真的3D Luneburg透镜器件，中国科学院理化技术研究所的赵圆圆等人利用飞秒激光多光子直写加工技术成功制备了微米尺度的3D Luneburg透镜，结果如图2所示，并利用近场光学显微镜(SNOM)对3D Luneburg透镜在平面波入射下的聚焦性质进行测试，其特性与仿真结果基本一致，聚焦光斑的光场强度的半高全宽(FWHM)为0.52 λ，等价于半个波长(阿贝衍射极限)，验证了Luneburg透镜具有理想三维聚焦的性能。

图2 （a）3D Luneburg透镜阵列；(b)俯视全貌；(c)局部放大图；(d)横截面图

在过去几年中，数码相机和手机的尺寸已大大减小，但主要是电子产品变得越来越小，而镜头尺寸却保持相对稳定，这主要是由于传统的制造技术根本无法将镜头的尺寸进一步缩小。但随着3D打印技术的飞速发展，使得可以在微观尺度上制造高度复杂的三维结构，这也就意味着功能性微型镜头拥有了实现的可能。

2016年，斯图加特大学的Timo Gissibl等人基于飞秒激光双光子聚合原理并用激光3D打印的方法制备了一个微型镜头，如图3所示，该镜头由三个透镜组成，宽度大约为100 μm，能清晰观察3 mm以内的物体，有望进一步减小透镜的尺寸，以应用于医疗和工业当中。

文章来源：《下一代英才》 网址: http://www.xydbjb.cn/zonghexinwen/2020/0925/906.html