紅外微光學元件

微光學元件是製造整合光電子系統的關鍵元件，具有體積小、質量輕、造價低等優點，能實現普通光學元件難以實現的微小、陣列、整合、成像和波面轉換等新功能。紅外微光學元件作為紅外整合光學系統的基本單元，在國防和民用領域有著非常重要的應用價值。

國防領域

整合化的紅外微器件已廣泛應用於紅外成像監視、跟蹤制導、武器平臺的導航、戰場光電對抗等。在過去30年裡，世界範圍內多次的區域性戰爭和有限軍事衝突中，超過90%的航空目標是被紅外製導武器擊落的，紅外光學器件的使用極大提升了戰爭效費比，因此各國均高度重視新型整合化紅外器件的研製。圖1為紅外成像監檢視。

民用領域

基於紅外陣列器件的夜視光學系統由於其工作波長長、受可見光照明影響小、影像辨識率高，可以清晰分辨出複雜暗背景中的紅外目標，因而在安防監控、無人駕駛、森林火險預警、電力系統巡檢、環境遙感監測、醫療檢測等行業具有重要的應用價值。圖2為環境遙感監測圖。

飛秒鐳射微納製造

作為一種新型高能束微納製造技術，飛秒鐳射的加工精度可達到奈米量級，可加工各種固態材料，且具備靈活的三維加工成型能力。聚焦的飛秒鐳射脈衝具備高達1018 W/cm 2的峰值功率密度，如此高密度的能量在短於晶格熱擴散時間尺度內注入材料微區的體積中，可將材料直接激發到等離子體態，實現絕熱的超快刻蝕過程，避免了熱效應導致的加工精度退化和材料選擇問題，是加工硬脆材料的有效手段。

同時，利用飛秒鐳射脈衝與材料相互作用的非線性多光子過程，可把反應控制在聚焦光斑中心極小的區域內，只有聚焦光斑中心附近奈米級區域內、鐳射能量達到多光子反應閾值的反應區才被加工，具有顯著的空間選擇性，可實現對材料超越光學衍射極限的三維奈米精度加工。

飛秒鐳射作用物件包括晶體、半導體、聚合物、金屬、有機生物材料等，相比傳統技術，飛秒鐳射加工已經成為微納製造領域的前沿和熱點研究方向之一。

飛秒鐳射製備紅外微光學器件的主要方法

飛秒鐳射刻蝕製備半導體紅外微光學器件

西安交通大學的陳烽教授團隊[1]利用單脈衝飛秒鐳射溼法刻蝕方法，在矽表面實現超大規模的準週期平凹微透鏡陣列，如圖1所示。將飛秒鐳射光源（中心波長為800 nm，脈衝寬度為10 fs，重複頻率為1 kHz）使用顯微物鏡聚焦在矽表面，單脈衝能量8 μJ，掃描速度20 mm/s，經過一次掃描形成光誘導彈坑陣列。

使用HNA混合酸刻蝕劑 （HF-40%, HNO3-69%和CH3COOH-99%的質量比為6：10：9）進行化學刻蝕，其中HNO3可將矽氧化，HF可去除氧化生的二氧化矽，CH3COOH為緩衝劑。

獲得的微透鏡單元間距為20 μm，器件總面積為100 mm2，單元數為300萬個，微透鏡單元直徑和深度分別為19.5 μm 和1.5 μm，表面粗糙度小於60 nm。將擴束後的鐳射以45°角照射到平凹微透鏡陣列表面，鐳射反射時被微凹面陣列分為大量微光束，相互疊加後在遠場形成強度勻化、空間相干性較低的光強分佈，勻化後的光斑大小變為9 cm，中心線橫截面能量分佈趨於平緩，反映了所製備得到的微透鏡陣列具有優良的光學效能。

圖1 飛秒鐳射輔助溼法刻蝕法制備的Si基準週期微透鏡陣列及其反射式勻光效果。（a） Si準週期微透鏡陣列的掃描電鏡照片；（b）微透鏡陣列表面三維形貌；（c）勻光效果測量系統示意圖；（d）微透鏡陣列勻化的遠場光斑；（e）拋光的Si平面反射獲得的遠場光斑；（f）勻化光斑的3D及截面光強分佈

硒化鋅由於其較強的抗潮解能力和在波長範圍0.5~22 μm良好的透射效能，被廣泛應用紅外光學器件的製造。西安交通大學的陳烽教授團隊[2]利用飛秒鐳射誘導-溼法刻蝕的方法，在硒化鋅表面製備週期性的平凹微透鏡陣列。

具體加工方法：用上文同款鐳射器聚焦在硒化鋅表面，鐳射功率3 mW，脈衝個數為200，鐳射誘導處理後使用刻蝕液（100 ml 5% H2SO4和60 mg KMnO4）在超聲浴中進行化學刻蝕和拋光，形成直徑為30 μm，深度為4.5 μm的平凹微透鏡陣列，如圖2所示。測量發現該器件在可見光、近紅外和中外波段有較高的透過率。

圖2 (a) 飛秒鐳射加工示意圖；(b) 硒化鋅材料腐蝕過程

該方法制備的器件具有良好的表面形貌，因而在紅外顯微鏡下對字母靶標進行的透射成像實驗也展示了良好的成像能力，如圖3所示。

圖3 (a) 紅外成像測試裝置；(b) 硒化鋅微透鏡陣列所成虛像圖

奈米壓印高效製備紅外微光學器件

紅外聚合物具有良好的熱塑性和低成本，而且可透過720~1100 nm以上波長的近紅外區域，常被用於製作近紅外微光學器件。

西安交通大學的陳烽教授團隊利用飛秒鐳射溼法刻蝕的方法，在K9光學玻璃表面製備了高精度平凹微透鏡陣列模板，利用紅外聚合物材料壓印複製得到平凸微透鏡陣列，製備了高效能的紅外陣列化微光學器件。選用的腐蝕液為5%的氫氟酸溶液，將鐳射輻照後的K9玻璃在超聲浴中進行化學刻蝕和拋光，形成高精度的平凹微透鏡陣列硬質模板。選用紅外聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料（近紅外波段折射率為1.49，軟化溫度為107℃）在87kPa壓力、115℃條件下壓印複製微透鏡陣列器件，獲得的器件表面形貌良好，如圖4（a）~（b）所示。

圖4 （a）平面紅外聚合物器件表面形貌；（b）器件表面形貌的掃描電鏡影象；（c）微透鏡單元截面形貌；（d）測量獲得的成像單元 MTF。

紅外微透鏡陣列的透過率使用UV-VIS-NIR分光光度計（Shimadzu UV-3600）來測量，如圖5所示。器件在整個近紅外波段的吸收非常小，透光率很高，同時在可見光波段截止效能很好。

圖5 平面紅外聚合物器件的透過率

利用點擴散函式（PSF）測量法分析器件的成像效能，使用直徑為100 μm 的針孔與Köhler照明系統構成的準直光束照明微透鏡器件，利用製冷的InGaAsPIN 光電二極體陣列拍攝焦點影象，計算其光學調製函式（MTF），如圖4（d）所示，以調製對比度0.1為判據，發現器件在紅外波段的解析度優於100 lp/mm。利用鹵素燈作為靶標進行成像測試，如圖6所示，可以清晰分辨直徑為0.1 mm 的燈絲細節。

圖6 利用製備的微透鏡陣列對鹵素燈靶標進行紅外成像。(a)環境光照明的主動紅外像；(b)依賴目標自身發光的被動紅外像；(c)環境光照明的主動紅外像；(d)依賴目標自身發光的被動紅外像。

製備的紅外平面複眼可以作為並行透鏡組實現大規模加工，如圖7所示，利用損傷機率法確定其鐳射損傷閾值分別為2.0 J/cm2和0.7 J/cm2。用製備得到的紅外微透鏡陣列將準直的飛秒鐳射光束（平均功率為1.9 W，重複頻率為100 kHz，光束直徑為1.6 mm）用紅外微透鏡陣列聚焦，在聚合物平板靶材上成功刻寫大寫字母“S”陣列。

圖7（a）利用燒蝕機率法測量聚合物材料的表面鐳射損傷閾值；（b）利用紅外微透鏡陣列在聚合物靶材上並行加工的微圖案

另一種紅外光學材料硫系玻璃材料的玻璃態轉化溫度Tg較低，具有良好的熱形變效能，可用與模壓成形。

西安交通大學的陳烽教授團隊等利用飛秒鐳射溼法刻蝕-奈米壓印的方法制作了硫系玻璃微透鏡陣列器件，用上文方法在K9玻璃表面加工出平凹微透鏡陣列模板，之後採用熱模壓複製的方法，在硫系玻璃Ge20Sb15Se65上覆制了微透鏡陣列形貌，如圖8所示。獲得的器件單元直徑58 μm，深度為8 μm。其中，圖9（a）和（b）為紅外顯微鏡下對圖案進行紅外成像實驗，獲得了清晰的成像效果。而且在平行光束照明下器件形成了均勻的焦點陣列，可以發現微透鏡陣列器件的單元尺度、間距和軸心均勻度較好，由圖9（c）和（d）所示的焦點陣列截面光強分佈可以發現微器件的成像均勻度良好。

圖8 （a）K9平凹微透鏡陣列模板電鏡圖; （b）硫系玻璃微透鏡陣列電鏡圖

圖9 （a）紅外成像測試裝置；（b）紅外微透鏡成像效果圖；（c）聚焦結果圖；（d）能量分佈圖

兩步壓印法制備超薄紅外複眼

西安交通大學的陳烽教授團隊[3]利用飛秒鐳射誘導-溼法刻蝕方法制作了3D仿生複眼結構的紅外聚合物微透鏡陣列器件，先將飛秒鐳射聚焦在凹面BK7玻璃上，輻照出彈坑陣列並透過化學刻蝕獲得模板，之後採用先壓印出曲面基底，再壓印出微結構的兩步壓印法獲得複眼器件，如圖10所示。

圖10（a）三維複眼宏觀形貌；（b）器件電鏡圖

測量發現該器件在近紅外波段具有很高的透過率，同時在可見光波段具有良好的阻滯特性。製備得到的器件具有良好的表面形貌，單元具備良好的成像解析度，對解析度板（USAF1951）的成像結果顯示可達160 lp/mm的分辨能力，如圖11（a）所示。

使用鎳鉻合金絲作為紅外熱源進行紅外成像測試，紅外成像結果如圖11（c）~（d）所示，尺度為100 μm的熱源絲清晰可辨，同時還對平面“方向標”進行成像，觀察到器件中心和邊緣部分不共焦，調節器件位置可實現共焦，如圖11（e）~（f）所示，這證明該紅外複眼器件可以用於紅外目標定位。

圖11 （a）單眼對USAF195解析度板所成的紅外像；（b）複眼對鏤空火焰圖案所成主動紅外 像；（c）對鎳絡合金絲紅外熱源所成被動紅外像；（d）鎳絡合金絲紅外像的放大影象；（e）對“方向標”靶標中心對焦的紅外像；（f）對該靶標周圍細節對焦的紅外像。

結 語

隨著微加工技術的飛速發展，傳統的微納加工手段已經獲得長足發展，可以滿足大多數尺度較大的紅外器件加工需求。但是未來紅外微光學器件需要滿足整合化、陣列化、高光學效能的發展需求，典型紅外陣列器件為微米量級，精度要達到奈米量級，同時需要具備超大陣元數和高的填充比，這些要求都對現有微光學器件微納加工技術提出了嚴峻的挑戰。

而飛秒鐳射加工領域作為一種新型微納製造技術，國際和國內都在飛秒鐳射超精細加工相關領域已開展了許多研究工作。可以預見，隨著先進微納製造技術的高速發展和新材料的不斷湧現，紅外微光學器件效能將不斷提升，應用領域也將越來越廣。

參考文獻

[1] Zefang Deng, Qing Yang, Feng Chen*, Xiangwei Meng, Hao Bian, Jiale Yong, Chao Shan and Xun Hou, Fabrication of large-area concave microlens array on silicon by femtosecond laser micromachining. Optics Letters, 40, 1928 (2015).

[2] Fan Zhang, Qing Yang, Hao Bian,* Minjing Li, Xun Hou, and Feng Chen,* Fabrication of ZnSe Microlens Array for a Wide Infrared Spectral Region, IEEE Photonics Technology Letters, 32, 1327-1330, (2020).

[3] Feng Liu, Hao Bian, Fan Zhang, Qing Yang,* Chao Shan, Minjing Li, Xun Hou, and Feng Chen,* IR Artificial Compound Eye, Advanced Optical Materials, 8, 1901767, (2020).

作者簡介

陳烽 西安交通大學二級教授、博士生導師、教育部微納製造與測試技術國際合作聯合實驗室 副主任

邊浩 西安交通大學電子與資訊工程學院、副教授、博士生導師

張帆 西安交通大學電子與資訊工程學院、博士生