中国科学家用纳米级3D打印技术制备微型透镜

近期,中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室的科研团队在光学期刊《激光与光子评论》发表论文[Laser & Photonics Review. 10(4), 665-672 (2016), Three-dimensional Luneburg lens at optical frequencies]。博士研究生赵圆圆为该文第一作者,副研究员郑美玲和研究员段宣明为共同通讯作者。该论文开创性地利用纳米级的3D打印技术——超衍射多光子直写加工技术制备了聚合物三维Luneburg透镜器件,其大小仅相当于人类头发直径的1/2,第一次将真三维的Luneburg透镜的工作波段从微波推广至光波段,使对三维Luneburg透镜的研究从宏观的微波领域转向光学领域迈进了坚实的一步。该研究成果将进一步促进微小光学和变换光学的发展,并打开了纳米级3D打印技术在微纳米器件领域中的全新应用。论文当选为Laser & Photonics Review 2016年第10卷第4期的封面论文(Front Cover Article)。

飞秒激光直写制备的微尺度光波段Luneburg透镜及其聚焦光场的表征分析结果

近年来,光学领域以其一系列崭新成就而为世人所瞩目,其中之一就是得到迅速发展的梯度折射率光学(Gradient index optics)。梯度折射率光学研究的对象是非均匀折射率介质中的光学现象。发生于非均匀介质中的光学现象在自然界是一种普遍存在的客观物理现象。早在公元100年,人们就已观察到“海市蜃楼”、“沙漠神泉”等奇景,都是由于大气层折射率的局部不均匀变化对地面景色产生折射而出现的一种奇观。通过对这些自然现象的观察、研究,人们逐渐领悟到材料折射率的非均匀性可以导致一些均匀介质所不具有的光学性能。1944年,卢内伯格(R.K.Luneburg)提出了一种球对称的折射率渐变分布的球透镜模型,n(r)=[2-(r/R)2]1/2,其折射率由中心位置Ö2沿径向逐渐减小到1,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,因此Luneburg透镜可实现无像差的理想成像或者理想聚焦。而传统的球面透镜由于像差的存在,而无法实现光线的理想聚焦。

国内外关于渐变折射率(GRIN)材料Luneburg透镜的研究成果虽然已见报道,但依然存在许多需要解决的问题。据天工社所知,目前已报道的基于微纳结构渐变折射率光学的Luneburg透镜研究及实验主要集中在二维或准三维(柱对称)结构,其应用潜力远远没有被开发。由于点光源发出的是球面波,为了实现真正的理想成像并能真正利用Luneburg透镜的广视场功能,设计、制备光波段真正的三维Luneburg透镜并研究其理想成像功能非常必要。但是,目前已报道的GRIN光学Luneburg透镜的制备技术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,难以在光波段实现真正三维梯度折射率器件的制备。

多光子激光直写加工技术是一种低成本、快速、高精度的3D微纳结构制备技术,它可以突破光学衍射极限的限制,将光反应区域局限于光斑焦点中心极小的三维空间内(~l3),实现任意复杂3D微纳光子结构的加工。当微纳光子的结构尺寸远小于波长,即处于超颖材料区域,光子结构可以视为具有一定折射率的等效介质。当调节微纳结构中不同位置上的占空比或者周期长度,可以得到复杂GRIN介质。2010年Wegner课题组在聚合物结构上通过激光直写实现了1.5-2.6mm波长范围的准三维隐身地毯结构;基于此工作的灵感,理化所研究团队利用飞秒激光直写,设计并加工了基于渐变介质超材料的三维光波段Luneburg透镜,COMSOL仿真结果表明其工作波段(>6mm)位于中红外波段。在此基础上,开展了相关的实验验证工作,利用德国Neaspec公司的近场光学显微镜(SNOM)表征了三维Luneburg透镜在平面波入射下的聚焦性质,测量的光场强度分布展示了一个半高全宽(FWHM)为l/2的光斑形貌,验证了Luneburg透镜具有理想三维聚焦的性能。

基于多光子激光直写加工技术,该研究团队近年来取得了一系列研究成果,如高分辨3D水凝胶结构(J. Mater. Chem. B 2, 4318-4323, 2014;3, 8486-8491, 2015),手性互补超颖材料(Appl. Phys. Lett. 104, 011108, 2014),高透光率的有序金属网格透明电极结构(Appl. Phys. Lett. 108, 221104, 2016),并受邀在Chem. Soc. Rev.撰写综述文章(Chem. Soc. Rev. 44, 5031-5039, 2015)。相关研究工作得到科技部纳米研究重大研究计划(“973”计划)项目、国家自然科学基金重大研究计划重点基金项目、国家自然科学面上基金项目的大力支持。

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