引言

近年來，飛秒激光直寫技術(shù)已經(jīng)成為制造任意納米精度三維微結(jié)構(gòu)的熱門工具。飛秒激光誘導(dǎo)雙光子聚合(TPP)允許在聚合物中形成微透鏡或更復(fù)雜的3D微結(jié)構(gòu)。然而，這種逐點過程受到低效率的限制。只有微結(jié)構(gòu)或納米殼的表層通過直接激光寫入進行光聚合，內(nèi)部通過紫外光固化，制造效率顯著提高。

我們提出了一種在二氧化硅玻璃上快速制作大面積凹面微透鏡結(jié)構(gòu)的新方法，該方法可用作在聚合物上復(fù)制多層膜的成型模板。我們的方法不同于經(jīng)典的fs激光直寫過程。它包括毫秒級的原位激光曝光和氫氟酸濕法腐蝕工藝。聚焦的飛秒激光脈沖觸發(fā)了一系列復(fù)雜的材料響應(yīng)，改變了焦斑的物理和化學(xué)性質(zhì)；然后在化學(xué)濕法蝕刻的幫助下，在那些激光改性的斑點中形成具有光滑表面的凹形彎曲結(jié)構(gòu)。

實驗

圖1示意性地描繪了聚合物多層膜的制造過程，其包括兩個步驟：生產(chǎn)具有凹形微結(jié)構(gòu)的成型模板和在聚合物上復(fù)制凸形微透鏡。為了制造成型模板，使用由鈦寶石脈沖激光振蕩器-放大器系統(tǒng)產(chǎn)生的飛秒激光束(波長= 800納米；脈沖持續(xù)時間= 30fs；重復(fù)頻率= 1千赫)，通過顯微鏡物鏡聚焦到拋光的石英玻璃芯片表面。激光曝光點是逐點產(chǎn)生的。對于每個光斑，曝光時間由快速機械快門控制，激光功率由可變衰減器調(diào)節(jié)。激光曝光后，樣品在室溫下浸入5%氫氟酸溶液(用去離子水稀釋)中。為了保證微結(jié)構(gòu)的均勻性，在化學(xué)刻蝕過程中，采用超聲波浴去除液固界面產(chǎn)生的氣泡。制造過程可以通過配備有電荷耦合器件照相機的光學(xué)顯微鏡來監(jiān)控。當(dāng)光滑凹面成功制造時，樣品用去離子水清洗并干燥。

用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察了聚合物多層膜的形貌。用于掃描電鏡觀察的樣品通過涂覆厚度為幾納米的鉑原子薄膜進行預(yù)處理，所用電壓為20千電子伏。微透鏡的橫截面和3D輪廓由激光掃描共聚焦顯微鏡測量，MLAs的成像能力是通過鎢光源的光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)獲得的。

總結(jié)和討論

凹陷結(jié)構(gòu)的形成機理：

借助于圖2(d)所示的示意圖，可以簡單地描述激光-物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的強沖擊波的過程。當(dāng)入射飛秒激光脈沖的注量高于石英玻璃的損傷閾值時，由于多光子吸收過程等非線性效應(yīng)，光子的能量沉積到材料中；原子被電離，然后在幾皮秒內(nèi)引發(fā)庫侖爆炸。爆炸產(chǎn)生的等離子體從焦斑中爆發(fā)出來，在樣品表面形成損傷坑，如圖2(b)所示。然后由燒蝕羽流快速膨脹引起的強大排斥力產(chǎn)生沖擊波；周圍材料的晶格因此被壓縮。在接下來的幾納秒內(nèi)，材料的反復(fù)壓縮和釋放會產(chǎn)生幾個沖擊波。石英玻璃內(nèi)部多重沖擊波和物質(zhì)噴射的時間分辨陰影圖已經(jīng)通過泵探針技術(shù)觀察到。此外，通過橫截面透射電子顯微鏡研究，損傷已經(jīng)可視化。研究表明，硅芯片內(nèi)部的飛秒激光誘導(dǎo)損傷區(qū)域可以從幾百納米到幾微米，這取決于所用的激光功率。在我們的實驗中，強飛秒激光脈沖會產(chǎn)生一個微米大小的改性區(qū)域，在較高的刻蝕速度下被氫氟酸快速刻蝕掉。此后，凹入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的蝕刻速度與未曝光材料的蝕刻速度相同。結(jié)構(gòu)的直徑線性增加，深度不變。

結(jié)果

為了證明這種方法的靈活性，本方法展示了三角形、矩形和六邊形的無間隙微彎曲結(jié)構(gòu)，以及復(fù)雜的雙尺寸和雙形狀結(jié)構(gòu)。隨后，具有超過16，000個透鏡的凸微透鏡陣列通過將凹六邊形微結(jié)構(gòu)用作模具而被忠實地復(fù)制在PDMS上。光學(xué)參數(shù)的計算結(jié)果證明了這種方法制造高f數(shù)的能力微透鏡和成像性能的觀察進一步表明了微透鏡陣列的高質(zhì)量。最重要的是，這種方法有許多顯著的特點，使其對微模塑聚合物有吸引力。首先，這是一種快速、低成本的聚合物微尺寸曲面加工方法。其次，可以在一個模具中產(chǎn)生具有不同凹陷高度的不同微結(jié)構(gòu)，并且可以通過精確布置激光曝光點和激光功率來簡單地單獨控制形狀，這可以為微光學(xué)或微分析設(shè)備的設(shè)計者提供有價值的原型工具。

　　審核編輯：湯梓紅