Light Adv. Manuf. | 按需制造光学明暗结构
撰稿：王星儿（华中科技大学，博士生）
导 读
双光子光刻 (TWo-photon lithography, TPL) 是一种先进的制造技术，能够以数百纳米量级的打印分辨率制造复杂三维 (Three-dimensional, 3D) 结构，广泛应用于先进光学器件的制造，如：复消色差X射线透镜、光纤端面成像器件等。通常使用的光敏树脂打印完成后的结构是透明的，适合作为光学元件。然而，在单个器件中同时实现不透明和透明结构的混合具有挑战性，通常需要多种材料体系或在制造后手动加入墨水，存在工艺复杂、操作繁琐等缺陷。
近期，来自新加坡科技研究局、新加坡科技与设计大学的研究团队在Light: Advanced Manufacturing发表了题为“Fabrication of opaque and transparent 3D structures using a single material via two-photon polymerisation lithography”的研究论文。
在文中，研究人员提出了一种基于单一光敏树脂实现透明及不透明3D结构的按需打印策略。实现了最小特征尺寸约为10 μm的不透明结构可控打印，该结构在约30 μm的厚度下表现出小于15%的透过率。进一步地，应用此工艺来打印与透明透镜集成的不透明光圈，实现了成像对比度的提升。
工作原理
基于TPL技术制造不透明结构，是一个通过控制激光曝光剂量来定义每个区域的连续加工过程，如图1中的2×2棋盘图案示意所示。首先，使用常规曝光条件打印透明区域。其次，在不透明区域中制造填充结构（x和y方向上的垂直平面），以将液体树脂限制在较小的轮廓内。接着，较小的树脂池受到逐层高剂量的过度曝光，表现出不透明性。填充结构最大限度地减少了微观气泡的运动，并阻碍它们聚结成干扰打印过程的较大气泡。同时，填充结构还发挥了支撑的作用，防止其在温度升高期间塌陷。最终，在单一树脂材料中实现了选择性制造透明及不透明结构。本研究中的结构是使用 Nanoscribe GmbH 的商用TPL系统（Photonic Professional GT）、IP-S光敏树脂和25倍物镜制造的。
工艺开发
一般来说，当曝光功率高于光敏树脂的阈值功率时，较低的扫描速度和较长的曝光时间会导致气泡形成和材料分解。材料分解的均匀性和激光照射区域的不透明度取决于曝光剂量，其与激光功率成正比，与扫描速度成反比。为了确定制造不透明结构的最佳激光剂量，基于脉冲曝光模式进行了点阵列曝光，图2展示了激光曝光参数扫描结果。在较低曝光剂量下，点结构轮廓清晰，没有任何畸变，点的尺寸大小根据激光剂量而变化。当曝光剂量增加时，逐渐出现受损结构。并且，引发损坏所需的曝光时间随着功率的增高而逐渐减少。
不透明结构的选择性制造
当不透明区域被细分为具有填充支架的较小树脂池时，损坏仅限于较小的体积，并且形成的气泡很小，对整体结构的影响最小。研究人员推测这是由于大量的液固界面减少了散热，有助于局部热量积累。图3a展示了无/有填充支架的棋盘图案制造结果，证明了这种基于填充支架的过度曝光方法的有效性。图3b展示了不同厚度的不透明结构、透明结构的可见光波段透射光谱。此外，还对具有相同厚度的多个样品进行了透过率测试，以确保重复性。且当厚度超过30 μm时，透过率始终小于15%，如图3c所示。图4d(i)展示了厚度为50 μm的抽象黑白图案，证明了所开发的方法具有实现弯曲形状和尖角等几何形状的制造能力。并且，暗区和亮区之间的界面平均粗糙度为4.3 μm。进一步地，图3d(ii)所示的咖啡杯展示了该工艺制造真3D不透明结构的能力。第一行显示了空杯子、半满杯子和满杯子的模型示意图，与设计相对应的制造结构的透射显微镜图像显示在第二行中。
集成不透明孔径的菲涅尔透镜
光学系统中的不透明结构，可阻挡特定区域的光并减少杂散光的影响。图4展示了一个集成不透明孔径的菲涅尔透镜成像结果，孔径被用来阻挡成像过程中的任何杂散光。图4b分别展示了有孔径和没有孔径的菲涅尔透镜对USAF 1951负分辨率靶的成像结果。图4c显示了成像图中的第5组中元素5的线对强度量化结果，图像对比度从9%（没有孔径）提高到24%（有孔径）。
总结
综上所述，本文研究了TPL的激光分解条件，开发了一种在透明光学元件中创建不透明区域结构的工艺。使用高激光功率打印不透明结构，以诱导微观隔间内液体树脂的激光分解，从而实现局部热量积累。轮廓内的填充结构有助于减少过度曝光期间形成的微泡的聚结。在未来，将重点关注多种3D图案和图案密度，以确定可以呈现不透明结构的最精细特征尺寸，进一步降低不透明结构的透过率。同时，探索该技术在制造黑色复杂3D结构的有效性。进一步地，基于高功率激光、树脂化学和曝光技术来提高不透明结构的分辨率和打印速度。
Parvathi Nair Suseela Nair, Chengfeng Pan, Hao Wang, Deepshikha Arora, Qing Yang Steve Wu, M. A. Rahman, Jinghua Teng, Joel K. W. Yang. Fabrication of opaque and transparent 3D structures using a single material via two-photon polymerisation lithography[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 25(2023).
https://doi.org/10.37188/lam.2023.025
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