中國科學(xué)家納米級3D打印技術(shù)制備微型透鏡

近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心有機納米光子學(xué)實驗室的科研團隊在光學(xué)期刊《激光與光子評論》發(fā)表論文[Laser & Photonics Review. 10(4), 665-672 (2016), Three-dimensional Luneburg lens at optical frequencies]。博士研究生趙圓圓為該文第一作者，副研究員鄭美玲和研究員段宣明為共同通訊作者。該論文開創(chuàng)性地利用納米級的3D打印技術(shù)——超衍射多光子直寫加工技術(shù)制備了聚合物三維Luneburg透鏡器件，其大小僅相當于人類頭發(fā)直徑的1/2，第一次將真三維的Luneburg透鏡的工作波段從微波推廣至光波段，使對三維Luneburg透鏡的研究從宏觀的微波領(lǐng)域轉(zhuǎn)向光學(xué)領(lǐng)域邁進了堅實的一步。該研究成果將進一步促進微小光學(xué)和變換光學(xué)的發(fā)展，并打開了納米級3D打印技術(shù)在微納米器件領(lǐng)域中的全新應(yīng)用。論文當選為Laser & Photonics Review 2016年第10卷第4期的封面論文(Front Cover Article)。

　　飛秒激光直寫制備的微尺度光波段Luneburg透鏡及其聚焦光場的表征分析結(jié)果

　　近年來，光學(xué)領(lǐng)域以其一系列嶄新成就而為世人所矚目，其中之一就是得到迅速發(fā)展的梯度折射率光學(xué)（Gradient index optics）。梯度折射率光學(xué)研究的對象是非均勻折射率介質(zhì)中的光學(xué)現(xiàn)象。發(fā)生于非均勻介質(zhì)中的光學(xué)現(xiàn)象在自然界是一種普遍存在的客觀物理現(xiàn)象。早在公元100年，人們就已觀察到“海市蜃樓”、“沙漠神泉”等奇景，都是由于大氣層折射率的局部不均勻變化對地面景色產(chǎn)生折射而出現(xiàn)的一種奇觀。通過對這些自然現(xiàn)象的觀察、研究，人們逐漸領(lǐng)悟到材料折射率的非均勻性可以導(dǎo)致一些均勻介質(zhì)所不具有的光學(xué)性能。1944年，盧內(nèi)伯格（R.K.Luneburg）提出了一種球?qū)ΨQ的折射率漸變分布的球透鏡模型，n(r)=[2-(r/R)2]1/2，其折射率由中心位置?2沿徑向逐漸減小到1，入射到Luneburg透鏡上的平行光線可以無像差地聚焦到球面上的一點，因此Luneburg 透鏡可實現(xiàn)無像差的理想成像或者理想聚焦。而傳統(tǒng)的球面透鏡由于像差的存在，而無法實現(xiàn)光線的理想聚焦。

　　國內(nèi)外關(guān)于漸變折射率（GRIN）材料Luneburg透鏡的研究成果雖然已見報道，但依然存在許多需要解決的問題。據(jù)了解，目前已報道的基于微納結(jié)構(gòu)漸變折射率光學(xué)的Luneburg透鏡研究及實驗主要集中在二維或準三維（柱對稱）結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用潛力遠遠沒有被開發(fā)。由于點光源發(fā)出的是球面波，為了實現(xiàn)真正的理想成像并能真正利用Luneburg 透鏡的廣視場功能，設(shè)計、制備光波段真正的三維Luneburg透鏡并研究其理想成像功能非常必要。但是，目前已報道的GRIN光學(xué)Luneburg透鏡的制備技術(shù)主要是基于標準的電子束光刻及離子束刻蝕等平面器件加工技術(shù)，難以在光波段實現(xiàn)真正三維梯度折射率器件的制備。

　　多光子激光直寫加工技術(shù)是一種低成本、快速、高精度的3D微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，它可以突破光學(xué)衍射極限的限制，將光反應(yīng)區(qū)域局限于光斑焦點中心極小的三維空間內(nèi)（-l3），實現(xiàn)任意復(fù)雜3D微納光子結(jié)構(gòu)的加工。當微納光子的結(jié)構(gòu)尺寸遠小于波長，即處于超穎材料區(qū)域，光子結(jié)構(gòu)可以視為具有一定折射率的等效介質(zhì)。當調(diào)節(jié)微納結(jié)構(gòu)中不同位置上的占空比或者周期長度，可以得到復(fù)雜GRIN介質(zhì)。2010年Wegner課題組在聚合物結(jié)構(gòu)上通過激光直寫實現(xiàn)了1.5-2.6mm波長范圍的準三維隱身地毯結(jié)構(gòu)；基于此工作的靈感，理化所研究團隊利用飛秒激光直寫，設(shè)計并加工了基于漸變介質(zhì)超材料的三維光波段Luneburg透鏡，COMSOL仿真結(jié)果表明其工作波段（>6mm）位于中紅外波段。在此基礎(chǔ)上，開展了相關(guān)的實驗驗證工作，利用德國Neaspec公司的近場光學(xué)顯微鏡（SNOM）表征了三維Luneburg透鏡在平面波入射下的聚焦性質(zhì)，測量的光場強度分布展示了一個半高全寬（FWHM）為l/2的光斑形貌，驗證了Luneburg透鏡具有理想三維聚焦的性能。

　　基于多光子激光直寫加工技術(shù)，該研究團隊近年來取得了一系列研究成果，如高分辨3D水凝膠結(jié)構(gòu)（J. Mater. Chem. B 2, 4318-4323, 2014；3, 8486-8491, 2015），手性互補超穎材料（Appl. Phys. Lett. 104, 011108, 2014），高透光率的有序金屬網(wǎng)格透明電極結(jié)構(gòu)（Appl. Phys. Lett. 108, 221104, 2016），并受邀在Chem. Soc. Rev.撰寫綜述文章（Chem. Soc. Rev. 44, 5031-5039, 2015）。相關(guān)研究工作得到科技部納米研究重大研究計劃（“973”計劃）項目、國家自然科學(xué)基金重大研究計劃重點基金項目、國家自然科學(xué)面上基金項目的大力支持。