中國科學家納米級3D打印技術制備微型透鏡

近期，中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室的科研團隊在光學期刊《激光與光子評論》發表論文[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。該論文開創性地利用納米級的3D打印技術——超衍射多光子直寫加工技術制備了聚合物三維Luneburg透鏡器件，其大小僅相當于人類頭發直徑的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域轉向光學領域邁進了堅實的一步。該研究成果將進一步促進微小光學和變換光學的發展，并打開了納米級3D打印技術在微納米器件領域中的全新應用。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果

　　近年來，光學領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展的梯度折射率光學（Gradient index optics）。梯度折射率光學研究的對象是非均勻折射率介質中的光學現象。發生于非均勻介質中的光學現象在自然界是一種普遍存在的客觀物理現象。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生折射而出現的一種奇觀。通過對這些自然現象的觀察、研究，人們逐漸領悟到材料折射率的非均勻性可以導致一些均勻介質所不具有的光學性能。1944年，盧內伯格（R.K.Luneburg）提出了一種球對稱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 透鏡可實現無像差的理想成像或者理想聚焦。而傳統的球面透鏡由于像差的存在，而無法實現光線的理想聚焦。

　　國內外關于漸變折射率（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。據了解，目前已報道的基于微納結構漸變折射率光學的Luneburg透鏡研究及實驗主要集中在二維或準三維（柱對稱）結構，其應用潛力遠遠沒有被開發。由于點光源發出的是球面波，為了實現真正的理想成像并能真正利用Luneburg 透鏡的廣視場功能，設計、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Luneburg透鏡的制備技術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，難以在光波段實現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是一種低成本、快速、高精度的3D微納結構制備技術，它可以突破光學衍射極限的限制，將光反應區域局限于光斑焦點中心極小的三維空間內（-l3），實現任意復雜3D微納光子結構的加工。當微納光子的結構尺寸遠小于波長，即處于超穎材料區域，光子結構可以視為具有一定折射率的等效介質。當調節微納結構中不同位置上的占空比或者周期長度，可以得到復雜GRIN介質。2010年Wegner課題組在聚合物結構上通過激光直寫實現了1.5-2.6mm波長范圍的準三維隱身地毯結構；基于此工作的靈感，理化所研究團隊利用飛秒激光直寫，設計并加工了基于漸變介質超材料的三維光波段Luneburg透鏡，COMSOL仿真結果表明其工作波段（>6mm）位于中紅外波段。在此基礎上，開展了相關的實驗驗證工作，利用德國Neaspec公司的近場光學顯微鏡（SNOM）表征了三維Luneburg透鏡在平面波入射下的聚焦性質，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，該研究團隊近年來取得了一系列研究成果，如高分辨3D水凝膠結構（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格透明電極結構（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、國家自然科學基金重大研究計劃重點基金項目、國家自然科學面上基金項目的大力支持。