一种基于逆向设计和3D打印技术用于激光直写的光纤端超构透镜- 大数跨境

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一种基于逆向设计和3D打印技术用于激光直写的光纤端超构透镜

两江科技评论

2021-03-20

导读：一种基于逆向设计和双光子聚合3D打印的光纤端超构透镜

文章标题：Inverse Design and 3D Printing of a Metalens on an Optical Fiber Tip for Direct Laser Lithography

第一作者：Wisnu Hadibrata

Heming Wei (魏鹤鸣)副教授

通讯作者：Koray Aydin

通讯单位：Department of Electrical and Computer Engineering, Northwestern University

撰稿：Heming Wei

论文导读：

当前，大多数光学组件和设备体积庞大，其尺寸远大于工作波长，这一定程度上限制了光子集成系统的性能。另外，传统的制造方法也存在诸多缺点。基于双光子聚合3D打印技术以其高精度和三维可控的优势，近年来逐渐成为增材制造领域的研究热点，有望用于制备高性能微纳光子器件。而双光子聚合3D打印的器件性能通常取决于透镜系统的质量。因此，常采用高数值孔径（NA）的显微物镜用于高精度双光子激光直写，这潜在地增加了成本，并引起可能的对准和集成问题。

在常规的大体积透镜中，光的相位主要是通过器件厚度的连续变化来实现控制和调制，因此其尺寸相对较大。而超构透镜具有较小的尺寸，可作为亚波长光学器件与光纤集成，能够实现对光束相位、幅度、偏振的完全控制，解决了现有透镜技术中存在的灵活性差、尺寸受限、效率低等问题。

近日，为实现这一问题，美国西北大学电气与计算机工程系Koray Aydin教授，美国西北大学机械工程系Sridhar Krishnaswamy教授和上海大学特种光纤与光接入网重点实验室魏鹤鸣副教授等提出了一种基于逆向设计和双光子聚合3D打印的光纤端超构透镜，实现了980 nm的工作波长下约8 μm的焦距和约100 nm尺度的最佳焦点，且具有73％的聚焦效率和0.85的高数值孔径，并用于双光子激光直写系统，突破了现有商用设备难以实现的精度要求。这种基于光纤-超构透镜的光刻系统具有高度的空间灵活性，在多尺度和多光子光刻系统集成中具有广阔的应用前景。该研究成果以“Inverse Design and 3D Printing of a Metalens on an Optical Fiber Tip for Direct Laser Lithography”为题发表于《Nano Letters》上。

创新研究：

该研究所采用的超构透镜示意图如图1a和1b所示，设置聚焦距离为波长的7.5倍，即7.5λ，为了适应足够的相位变化，宽度设定为1.5λ，高度设置为15λ，采用逆设计算法在二维XY平面区域内改变介电常数分布，设计优化二维透镜如图1b所示。利用中心轴的旋转对称性，设计如图1c的三维超构透镜，并利用高精度双光子聚合3D打印技术制备该器件，如1d所示。

图1. 逆向设计超构透镜示意图和显微镜图。

器件的聚焦光场模拟如图2a所示，研究者们采用980 nm作为光源，测试所制备器件的光场轴向分布，结果如图2b所示，通过计算得到焦距约为7.8 um，光束直径最大值为1.1 um，聚焦效率为73%，与模拟仿真结果基本一致，其与理论仿真误差主要由于制备方法中显影造成透镜侧向位移。

图2.（a）在xy平面中980 nm波长处透镜的模拟场强度分布，镜头的焦点出现在7.7 μm处。（b）实验测得的透镜强度分布，镜头的焦距为7.8 μm。（c）镜头焦平面处的光场模拟强度和测量强度对比。

为了进一步证明逆向设计优化超构透镜应用，研究者将其与单模光纤集成，并将其作为物镜用于基于双光子聚合激光直写入装置系统中，如图3所示。实验中将波长780 nm的飞秒激光耦合到单模光纤中，通过多维电动位移台控制光纤端超构透镜的位置并实现在玻璃基地上激光直写。通过显微镜系统来观察双光子聚合的微纳结构。

图3.（a）光纤端超构透镜的显微镜图。（b）制备的光纤端超构透镜的放大图。（c）自制双光子聚合装置示意图，采用光纤端超构透镜作为物镜。

实验结果如图4所示，随着飞秒激光入射功率的增加，双光子聚合的体素也相应地增大。当激光功率为6 mW时，能够取得最窄的线宽为220 nm。并且按照现有激光直写商用设备，当激光功率大约9 mW时，所获得的线宽约为290 nm。与商用直接激光光刻机相比，研究者们提出的自制系统能够达到亚微米的精度。总的来说，考虑到光纤端超构透镜的灵活性和成本，该研究为双光子激光直写技术提供了一个可行的方案。