从双光子灰度光刻到可扩展复制：实现复杂非球面微光学器件的大规模生产

本综述系统探讨了双光子聚合灰度光刻（2GL）技术结合电铸和注塑成型工艺，实现高精度微光学元件从原型开发到规模化生产的突破性进展。研究通过设计并制备衍射型非球面微透镜阵列，证明了该技术链在保持光学性能（表面粗糙度Sq≈10 nm）的同时，解决了微光学制造中精度与量产效率的矛盾，为成像、传感和光子学系统提供了新的产业化路径。

　　

引言：微光学元件的制造技术演进

近年来，双光子聚合（Two-Photon Polymerization, 2PP）技术因其分辨率跨越毫米至纳米尺度的特性，成为光学元件增材制造的重要方法。该技术通过近红外超短脉冲激光触发光敏树脂的双光子吸收，实现任意三维结构的聚合，广泛应用于光学、量子技术、微流控和微机械领域。然而，2PP技术仍面临量产成本高、工艺耗时长的瓶颈。双光子聚合灰度光刻（Two-Photon Polymerization Grayscale Lithography, 2GL）通过动态调节激光功率，在保持光学平滑表面（表面粗糙度S_q低至纳米级）的同时大幅缩短打印时间，但其规模化生产能力仍需突破。

光学设计、打印与母版形貌分析

研究团队设计了一组包含不同焦距、直径和表面特性的微透镜阵列，使用射线追踪软件Zemax OpticStudio进行优化。透镜类型包括圆锥透镜（直径100 μm和300 μm，设计波长633 nm）和混合消色差透镜（结合非球面基底与衍射结构，设计波长500–700 nm）。所有透镜均针对注塑材料COC TOPAS 5013L-10（n_d=1.533）和打印光刻胶Nanoscribe IP-S的折射率差异进行了分别优化。通过2GL技术（Quantum X系统，780 nm飞秒激光，NA=0.8物镜）在玻璃基底上打印母版，打印过程中采用200 nm的线间距和1 μm的层厚，通过动态功率调节（8–50 mW）实现表面粗糙度S_q为4–17 nm。共打印1632个透镜和两个标识，总面积为4.8 mm×7.2 mm，耗时约13小时。形貌分析显示，100 μm直径透镜的轮廓偏差峰值（PtV）低于0.4 μm，300 μm透镜偏差低于1 μm，混合透镜的偏差主要源于衍射环区域的轻微收缩。

光学结构的复制工艺

复制过程包括电铸和注塑成型两个核心步骤。首先通过物理气相沉积在打印母版表面制备3 nm铬/10 nm金导电种子层，随后在镍盐电解液中进行电铸（电流密度0.17 A·dm^?2，时长120小时），生成约5 mm厚的镍模芯。镍模芯经线切割加工后集成至注塑模具（Arburg 370A系统），使用COC TOPAS 5013L-10材料进行注塑成型。复制件的表面粗糙度S_q为6–20 nm，与母版相比仅轻微增加，且形貌偏差保持在亚微米级别，证明了电铸-注塑工艺对微纳结构的高保真复制能力。

光学性能验证

通过光束剖面和成像质量测试对比母版与复制件的性能。光束剖面测试使用可调谐激光源（500–700 nm）和显微成像系统（60×，NA=0.7物镜），测量焦点处的强度分布和轴向传播特性。结果显示，100 μm直径透镜的母版和复制件在633 nm波长下的焦点半高宽（FWHM）分别为1.28 μm/1.26 μm（x方向）和7.97 μm/8.17 μm（z方向），性能高度一致。300 μm直径的透镜由于表面偏差略大，表现出轻微的彗差，但FWHM值仍接近设计目标。混合消色差透镜在500–700 nm波段均表现出色差校正特性，纵向色差（LCA）低于设计限值（±276 nm母版，±209 nm复制件），证实了其宽带成像能力。

成像测试采用USAF 1951分辨率靶和白光LED光源，通过显微系统拍摄透镜成像结果。100 μm透镜可分辨至90.5 lp·mm^?1（第6组第4元素），300 μm透镜分辨至161.3 lp·mm^?1（第7组第3元素），且未出现明显场曲或畸变。混合透镜在白光下呈现高对比度消色差成像，仅存在轻微横向色差。所有测试表明复制件的光学性能与母版高度一致，验证了复制工艺的可靠性。

结论与展望

该研究建立了一条从2GL打印到电铸-注塑复制的完整工艺链，实现了高数值孔径（NA最高0.6）、低表面粗糙度（S_q≈10 nm）和复杂结构（如衍射校正）微光学元件的大规模生产。镍模芯的耐用性可支持数千次注塑循环，单次循环时间低于30秒，为微光学元件的产业化提供了关键技术基础。未来研究方向包括光学系统级集成（如多透镜组合）、新材料开发（如玻璃注塑）、以及功能性结构（如抗反射微结构、超表面）的引入，进一步推动微光学在内窥镜、智能手机和量子设备等领域的应用。