中科院理化所用納米3D打印技術(shù)造出超微型透鏡

南極熊剛剛獲悉，近期，中國科學院理化技術(shù)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(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和變換光學的發(fā)展， 并打開了納米級  3D 打印技術(shù)在微納米器件領(lǐng)域中的全新應用。    論文當選為 Laser  &  Photonics  Review 2016 年第 10 卷第 4 期的封面論文 ( FrontCover Article )。  

近年來， 光學領(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  （  Gradientindexoptics  ）。梯度折射率光學研究的對象是非均勻折射率介質(zhì)中的光學現(xiàn)象。發(fā)生于非均勻介質(zhì)中的光學現(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致一些均勻介質(zhì)所不具有的光學性能。 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。目前已報道的基于微納結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其應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(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)，它可以突破光學衍射極限的限制，將光反應區(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 1.5-2.6 mm 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 （ > 6 mm ） 位于中紅外波段。   在此基礎上，  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. B2,  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。  

延伸閱讀：
《上海交大科學家利用3D打印創(chuàng)建細菌動能微觀泵》
《中科院理化所用液態(tài)金屬和3D打印制造出微型車輛》

來源：中科院理化所