飞秒激光制备微光学元件及其应用

2014年，Wu等利用飞秒激光直接加工出人工复眼结构，如图6所示，实现无失真宽场成像。随着微加工技术的提升，小尺寸、高性能的人工复眼能够和光电微接收器或光学器件集成，大大扩展其应用范围，例如广角通信的天线、集成光路等。

图6.(a)(b) 自然界中的复眼; (c)(d) 人工复眼

衍射元件

衍射元件中比较常见的是菲涅耳透镜和光栅。菲涅耳透镜是一种非常重要的平面光学元件，和普通透镜不同的是，它是通过衍射来实现光束聚焦和成像功能。传统的光刻工艺对于制作二阶甚至四阶的菲涅耳透镜已经非常成熟，由于加工过程需要掩模板、加工工艺复杂，只适用于大批量的生产。飞秒激光以其高加工精度和加工灵活性，在菲涅耳透镜集成加工方面具有重要应用。

2015年，Komlenok等利用飞秒激光烧蚀，在硅表面加工出适用于太赫兹波段的四阶菲涅耳透镜。经测试，在141 μm激光下的衍射效率为35.9%。实现了飞秒激光加工有效的多阶太赫兹衍射光学元件的目标。

2016年，Li等结合飞秒激光烧蚀和化学腐蚀的方法，在蓝宝石表面加工出表面质量非常好的菲涅耳透镜，表面粗糙度仅为12 nm。由于具有高硬度、良好的热学和化学稳定性及高的紫外透射率，蓝宝石菲涅耳透镜在紫外微光学领域具有重要的应用前景。

飞秒激光除了能在常规的聚合物和无机材料表面制备单个菲涅耳透镜之外，也可以和微透镜阵列一样，实现菲涅耳透镜阵列的制备。还能够在特殊材料上，如蛋白质，制备菲涅耳透镜，扩展微光学元件在生物领域的应用。

飞秒激光同样适合用来加工光栅，这是由于精心设计的光栅非常复杂，往往需要较高的加工精度。

2016年，Xiao等利用飞秒激光聚合加工，用IP-Dip光刻胶在载玻片表面加工出复杂的二光栅结构，实现太阳光谱中的可见和近红外光的分离。提高飞秒激光的加工精度，能够极大地提升元件的性能，同时能在相同的面积上集成更多的太阳能子电池。

波导和光纤光栅

光波导在光学系统中起着传导光信号的作用，在微光学系统中应用十分广泛。光学信号可以被光波导限制住，并沿特定的路线进行传播。飞秒激光加工灵活，可以加工出任意形状的光波导，特别适合于透明材料内部、现有器件上集成加工等。

由于飞秒激光加工非常灵活，除了直写单一的光波导外，更大的优势在于在三维空间加工特殊形状的光波导，实现信号分束等功能。

2014年，He等利用飞秒激光直写技术，在Bi4Ge3O12(BGO)晶体内部加工出三维光波导，波导处折射率增加5×10-3。这种光波导可以允许4 μm的TE和TM基模光通过，其传输损耗和分束损耗分别为4 dB/cm和0.3 dB，分出来的光束基本均等。通过这种手段，能在BGO晶体内部加工出复杂器件，并应用于中红外光中。

传统的光波导通常在光刻胶或硬质上加工，限制了其在某些领域的应用，如生物领域。蛋白质(及衍生物)是基于生物聚合物形成的，具有良好的生物/环境相容性，基于蛋白质的光波导在生物领域具有重要应用。

2016年，Sun等利用飞秒激光聚合牛血清蛋白加工出基于蛋白质的多模干涉耦合的光学微分束器(P-MMIs)。P-MMIs在环境友好型生物聚合物光学、多路高输出光学生物传感、光流控生物芯片中具有巨大的应用前景。