飞秒激光制备微光学元件及其应用

飞秒激光烧蚀加工与双光子聚合加工不同，它主要是通过去除材料表面或内部微纳米级的部分来实现微纳米结构的构型。飞秒激光烧蚀材料时，电子与声子进行耦合时激光作用就已经结束，因而几乎没有热影响区，能实现高精度、高质量加工，如图3(a)所示。

图3 (a) .超短激光脉冲与材料相互作用; (b) 高斯光束的烧蚀阈值

飞秒激光能量密度分布一般为高斯型，只有当激光能量超过材料的烧蚀阈值时，才能进行烧蚀加工，如图3(b)所示。2004年，Joglekar等将飞秒激光聚焦在玻璃表面，加工出线宽约30 nm的纳米凹槽。

由此可见，飞秒激光直写技术可以实现多种材料、多种方式的超精细加工，在微光学元件制备领域具有广泛的应用前景，可为微光学元件的制备提供强有力的支持。

微光学元件的

飞秒激光制备

飞秒激光直写技术作为微光学元件的重要制备方法，具有广泛的应用前景。利用飞秒激光直写技术可以实现常规光学元件微小化，多种材料的飞秒激光直写，并且无需掩模板，具有真三维、设计自由度高、加工精度高等优点。近年来，研究者们已经利用该方法在多种材料上制备出各种类型和功能的微光学元件，主要包括折射型光学元件、衍射型光学元件、波导和光纤光栅、微腔元件等。

折射元件

透镜是一种很重要的折射元件，也是使用范围最广的光学元件。透镜最基本的功能是用来成像，除此之外，还可用于光束准直、光束整形等方面。随着各种仪器设备向微小型化发展，透镜也由宏观走向微观。单个微透镜可以将光信号与光纤耦合，实现功能上的集成，同时也是各种微小设备必不可少的部件。在微透镜的加工方面，传统的加工方式已逐渐不适用。

飞秒激光具有超高精度的加工能力，同时可以灵活地进行真三维加工，甚至可以在透明材料的内部直接加工，在微透镜的加工领域越来越常用。研究者们在各种材料、表面和内部进行了探索，实现了多种形式微透镜的加工。

2010年，Qiao等利用飞秒激光在熔融石英芯片内进行微加工，实现微透镜与微流控通道的集成。通过微透镜和微流控通道的集成，在通道内实现了5倍的放大成像，这一技术在芯片实验室装置的应用上具有巨大潜力。

2011年，Qiao等将这种微透镜用于生物组织的成像，发现其成像效果可以和同倍数的商用显微镜相媲美，显示出飞秒激光加工微透镜在生物成像和生物传感方面的应用前景。

2015年，Zheng等利用飞秒激光的热累积烧蚀技术在PMMA内部加工出腔微球透镜。该项技术与传统的表面加工相比要简单、快速，同时有效焦距和视场等光学参数都可以在很大范围里调控，将来可应用于集成光流控芯片、光机电系统、太阳能电池和微广角传感和成像等领域。

2016年，Antipov等利用飞秒激光在单晶蓝宝石的两面各加工一个微凹透镜，实现了X光在二维方向上聚焦，将三个这样的微凹透镜组叠在一起，可以使聚焦的尺寸更小。由于蓝宝石具有优良的热学和光学性能，蓝宝石微透镜将成为聚焦X光的主要元件。