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(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心有機(jī)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)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(dāng)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(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。 該研究成果將進(jìn)一步促進(jìn)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(dāng)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(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)  （  Gradientindexoptics  ）。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(diǎn)， 因此 Luneburg 透鏡可實(shí)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(shí)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(bào)道，但依然存在許多需要解決的問題。目前已報(bào)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(shí)驗(yàn)主要集中在二維或準(zhǔn)三維 （ 柱對稱 ） 結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被開發(fā)。由于點(diǎn)光源發(fā)出的是球面波，為了實(shí)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(jì)、 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(bào)道的GRIN光學(xué) Luneburg 透鏡的制備技術(shù)主要是基于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(diǎn)中心極小的三維空間內(nèi) （ ~l3 ），實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜 3D 微納光子結(jié)構(gòu)的加工。當(dāng)微納光子的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)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(dāng)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(shí)現(xiàn)了 1.5-2.6 mm 波長范圍的準(zhǔn)三維隱身地毯結(jié)構(gòu)；基于此工作的靈感，理化所研究團(tuán)隊(duì)利用飛秒激光直寫， 設(shè)計(jì)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(chǔ)上，  開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(qiáng)度分布展示了一個(gè)半高全寬 （ FWHM ）為 l / 2 的光斑形貌， 驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(bǔ)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(jì)劃 （ “ 973 ” 計(jì)劃）項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)基金項(xiàng)目、 國家自然科學(xué)面上基金項(xiàng)目的大力支持。  

延伸閱讀：
《上海交大科學(xué)家利用3D打印創(chuàng)建細(xì)菌動(dòng)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