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超快激光3D打印技术：引领下一代集成器件制备的革新

近年来 ， 随着光学、光化学、光电子、纳米光子和仿生等领域中各种微纳器件的广泛开发 ， 与之相应的3D微纳加工技术逐渐成为加工技术中的重要一环 。 传统的3D微纳加工技术手段主要有“自下而上”和“自上而下”两种 。
【超快激光3D打印技术：引领下一代集成器件制备的革新】其中 ， “自上而下”的加工手段则依据器件设计需求 ， 利用具有较高能量的加工工具（紫外光、电子束、离子束等）对体材料进行剪裁来获得相应结构 。 随着半导体工业的迅速发展 ， 各种“自上而下”式加工技术得到了深入、广泛的研发 ， 展现了制备各种复杂微纳结构以及相应功能化器件的巨大潜力 。
目前 ， “自上而下”式加工技术主要有光刻和纳米压印两类 ， 这两类加工技术虽然具有良好的可扩展性和效率 ， 但是受到加工工具对精度的限制 ， 而且较难将结构扩展到三维 。 为了满足高精度、高效率的3D微纳加工需求 ， 势必需要一种同时具备超分子自组装水平和高度可设计性的3D加工技术 。
在此需求下 ， 三维打印（ThreeDimensionalPrinting ， 以下简称3D打印）技术应运而生 ， 并作为前沿性、先导性的新兴制造技术之一 ， 深刻地改变着传统的生产方式和生产工艺 。
激光是3D打印中最强大的工具之一 ， 而在众多激光器中 ， 超快激光器具有超短的脉冲 ， 能够有效抑制激光扫描区域的热效应 ， 且会与材料内部产生非线性多光子吸收效应的特点 。 这就使得超快激光3D打印技术既有了高精度、高加工质量、易功能化和易集成等突出技术优点 ， 又拥有双光子聚合加工的特殊机制优势 。
如今各个应用领域的器件微型化、功能化和集成化的发展趋势 ， 对微纳加工技术提出了巨大挑战 。 越来越多器件的核心设计都依赖于高度图案化的三维复杂微纳结构 。 超快激光3D打印技术是一种无掩膜、激光直写加工的3D加工技术 ， 其超高的可设计性和远超光学衍射极限的高加工精度能够满足日益复杂的技术需求 。
超快激光3D打印技术的多种应用
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微纳光学透镜
微凹透镜阵列结构是光学器件中的一种常见组件 ， 具有较强的聚焦和成像能力 。 由于加工手段的限制 ， 传统的微透镜阵列往往是在1个平板衬底上加工出一系列相同尺寸的凹透镜结构 。 由于会产生场曲 ， 这样的1组微透镜阵列无法将1个平面物体聚焦至1个像平面上 。
为了解决这一问题 ， 2015年吉林大学的Zhen-NanTian等人首先设计了一系列具有渐变深度的微凹透镜单元 ， 然后基于飞秒激光3D打印的双光子聚合原理诱导负性光刻胶SU-8对其完成了准备 ， 如图1所示 ， 最后通过实验证明该结构可以消除场曲所带来的像差 。
超快激光3D打印技术：引领下一代集成器件制备的革新
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图1（a）具有不同曲率的微透镜阵列的示意图；（b）微透镜阵列的焦平面
梯度折射率光学(gradient-indexoptics)是光学领域近年来蓬勃发展的研究分支之一 ， 其研究的对象是非均匀折射率介质中的光学现象 。 Luneburg透镜为一种球对称折射率渐变分布的球透镜 ， 使得入射到Luneburg透镜上的平行光线可以无像差地聚焦到球面上的一点 ， 以实现无像差的理想成像或者理想聚焦 。
但是 ， 传统Luneburg透镜的制备方法主要是基于标准的电子束光刻及离子束刻蚀等平面器件加工技术 ， 只能制备2D形式的Luneburg透镜器件 ， 难以在光波段实现3DLuneburg透镜器件的制备 。
为了得到高保真的3DLuneburg透镜器件 ， 中国科学院理化技术研究所的赵圆圆等人利用飞秒激光多光子直写加工技术成功制备了微米尺度的3DLuneburg透镜 ， 结果如图2所示 ， 并利用近场光学显微镜(SNOM)对3DLuneburg透镜在平面波入射下的聚焦性质进行测试 ， 其特性与仿真结果基本一致 ， 聚焦光斑的光场强度的半高全宽(FWHM)为0.52λ ， 等价于半个波长(阿贝衍射极限) ， 验证了Luneburg透镜具有理想三维聚焦的性能 。
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图2（a）3DLuneburg透镜阵列；(b)俯视全貌；(c)局部放大图；(d)横截面图
在过去几年中 ， 数码相机和手机的尺寸已大大减小 ， 但主要是电子产品变得越来越小 ， 而镜头尺寸却保持相对稳定 ， 这主要是由于传统的制造技术根本无法将镜头的尺寸进一步缩小 。 但随着3D打印技术的飞速发展 ， 使得可以在微观尺度上制造高度复杂的三维结构 ， 这也就意味着功能性微型镜头拥有了实现的可能 。
2016年 ， 斯图加特大学的TimoGissibl等人基于飞秒激光双光子聚合原理并用激光3D打印的方法制备了一个微型镜头 ， 如图3所示 ， 该镜头由三个透镜组成 ， 宽度大约为100μm ， 能清晰观察3mm以内的物体 ， 有望进一步减小透镜的尺寸 ， 以应用于医疗和工业当中 。
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图3微型镜头细节图
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蛋白质光子器件
蛋白质基材料大部分是纯天然的生物大分子材料 ， 具有来源广泛、价格低廉、良好的生物相容性、无毒无污染、无刺激性、可生物降解等特点而被越来越多的科学家所青睐 。
目前实现蛋白质材料器件化的加工手段主要有紫外光刻、纳米压印、电子束刻蚀和飞秒激光3D打印技术 。 利用飞秒激光诱导的双光子聚合原理对蛋白质材料进行3D纳米打印 ， 具有保护生物质材料的生物活性和维持洁净生物材料环境的优势 ， 被广泛应用于蛋白质光子器件的加工制造 。
2012年 ， 德克萨斯大学J.B.Shear教授课题组分别在玻璃衬底上和透明质酸凝胶中进行蛋白质三维微纳结构 ， 成功实现了基于这些蛋白质微纳水凝胶的智能环境感应微机械、细胞/细菌微龛培养等 ， 有望应用于细胞培养和组织工程等领域 。
在蛋白质材料的飞秒激光直写工作中 ， 吉林大学超快光电子研究中心团队在973项目支持下也做了很多创新性的工作：成功利用飞秒激光3D打印技术制备得到了700nm宽 ， 500nm高的微纳光波导 ， 并且通过波长的摸索证明了蛋白质基材料在500nm和680nm左右存在透射窗口；利用飞秒激光3D打印技术得到了三维的丝素蛋白基微纳器件 ， 还对丝素蛋白材料在生物质芯片以及组织工程上的利用进行了可行性的探索 。
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仿生器件
在仿生领域 ， 要获得自然界中各种各样神奇的生物功能 ， 需要先模拟加工得到其多样化的三维微纳结构 ， 而基于双光子聚合的飞秒激光3D打印恰好能满足仿生器件超高的三维加工能力、高精度和高度可设计性的技术需求 。 其强大的加工能力和高度可设计性 ， 使打印出的仿生微纳结构对生物结构具有极高的还原度 。
吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室的LukeP.Lee和HongBoSun等人采用快速像素调制激光扫描（HVLS）技术飞秒激光3D打印技术结合的分步扫描方式 ， 获得了与真实复眼具有高度相似性的三维人工复眼结构 ， 如图5所示 ， 并通过实验证明该复眼结构于单透镜相比可以显著减少2~3倍的成像畸变 ， 且在各个方向具有高度的光学均匀性 。 有望将其与光电微接收器或光学设备结合起来应用到更为广泛的领域 ， 例如广角通信天线、集成电路等 。
超快激光3D打印技术：引领下一代集成器件制备的革新
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图5天然复眼和飞秒激光3D打印的仿生人工复眼
（a）天然复眼的俯视图；（b）天然复眼的局部SEM图；（c）仿生人工复眼的俯视图；（d）防生人工复眼的局部SEM图
总结
超快激光3D打印技术已从聚合物材料拓展到生物材料体系 ， 加工出一系列高精度、高度设计性和高度功能化的三维微纳结构 ， 实现了超快激光3D打印技术在微纳光学、生物医学、仿生器件等多个领域的广泛应用 。 其高质量的功能化结构也表明了 ， 基于双光子聚合的超快激光3D打印技术已经成为一种具有强大加工能力和功能化效果的三维微纳加工技术 ， 有望成为引领下一代集成器件制备的革新技术 。
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