微针点胶直写光纤端面聚合物微透镜及其可见光波段聚焦特性研究

《Scientific Reports》：Micro-needle-dispenser-based direct writing of optical microlenses on optical fiber facets for visible-range applications

　　

本研究提出一种基于液滴的微点胶技术，用于在单模光纤端面直接制备光聚合物微透镜。该工艺基于逐层液滴堆叠方法，每个沉积的液滴均单独采用紫外光固化，从而实现对微透镜高度、曲率及几何形状的精确控制。与传统制备技术相比，该方法无需光刻或模塑工艺，可实现快速且可定制的制备。基于时域有限差分法（FDTD）的光学仿真结果与实验结果一致，证实了对所制备透镜光束整形特性的精确控制。在635 nm波长下，实现了低至约1.7 μm的焦斑光束半径，工作距离为38 μm。这为诸如需要从单模光纤耦合至具有更小模场直径（MFD）的光子芯片等潜在应用提供了便利。所开发的方案为将微透镜直接集成到光子集成电路以及其他用于传感、成像和生物医学单光纤探测应用的光学平台中提供了一种可扩展的方法。

研究背景方面，用于传感、成像和光通信的小型化光子系统日益依赖能够在微尺度上精确操控光的紧凑型微光学元件，而光纤端面是其中关键的界面，高效的光束整形可显著提升耦合性能并赋予光纤实验室平台先进功能。未加修饰时，单模光纤出射光迅速发散，限制了向下游光学元件的直接耦合效率。已有研究通过激光微加工、模塑、滴涂、化学刻蚀、熔融拉锥、微振动和软光刻等方法在光纤端面制备微透镜，但刻蚀与光刻工艺需要昂贵设备且耗时较长。基于液滴与紫外固化的增材制造被视为直接在基底上构建微透镜阵列与微光学元件的有效替代方案，此前的树脂基光纤端面微透镜制备主要依靠改变沉积体积并重复滴加-固化步骤，或在聚合前利用高频微振动主动重塑沉积树脂，但对液滴铺展、透镜曲率及重复性的精确控制仍是技术瓶颈，尤其在光纤端面这类受限区域更为突出。研究人员此前已用两种代表性微透镜几何形状初步验证了微针点胶方案的可行性，但当时同时改变了多个制备参数以获得不同聚焦条件。本研究在前期概念验证基础上建立系统化、受控的制备策略：先优化点胶条件以获得稳定的曲率半径（ROC），随后保持该条件固定，仅改变沉积层数来控制透镜高度，并通过七个独立制备的样品定量评估制备重复性以及透镜高度与光学特性之间的关系。

研究内容与结论方面，研究人员采用液滴微针点胶法在SM600光纤端面直接制备光聚合物微透镜，通过单个液滴的顺序沉积与紫外固化，在防止材料溢出光纤边界的同时实现透镜几何形状的可控形成。所制备微透镜产生的光束半径为1.7 μm至4.2 μm，对应焦斑尺寸小于光纤模场直径，同时保持近高斯光束质量，M²值为1.10至1.42。基于实测透镜几何形状的FDTD仿真验证了聚焦性能，与实验结果吻合良好。研究主要目标是获得小于光纤模场直径的焦斑并保持良好光束质量，这对可见光波段向更小波导耦合具有潜在意义。所实现的工作距离为28 μm至195 μm，为几何受限条件下直接接近目标波导的配置提供了灵活性。该方法既不需要洁净室环境，也不需要改变光纤本身，为在光纤端面集成微透镜提供了简便且适应性强的途径，可用于小型化成像、传感、单光纤探针成像及先进光子仪器等应用。

关键技术方法方面，研究采用紫外固化光聚合物OrmoCore（折射率1.555@589 nm，黏度2.9 Pa·s，固化体积收缩率最高5%）作为透镜材料；使用自制微点胶单元配合Ultimus? V高精度点胶机（Nordson EFD）通过气压控制树脂经微针挤出，微针为预拉制硼硅酸盐玻璃针（TIP30TW1LS01，内径30 μm，硅烷化处理）；光纤为FC/APC接头、另一端解理并竖直固定的SM600单模光纤，借助两台正交布置的显微相机实现微针与光纤端面中心的对准及沉积前后位置校验；采用逐层液滴沉积与逐滴紫外固化的堆叠工艺；光学表征采用刀口法（K-E）测量1/e²光束半径并结合高斯光束传播方程拟合确定束腰半径、M²与工作距离（WD）；并基于实测截面轮廓旋转360°重建三维几何，导入Meep时域有限差分（FDTD）环境进行仿真验证。

研究结果方面，在实验装置部分，研究人员搭建了由自制微点胶单元与非相干紫外固化模块组成的系统，点胶单元安装于计算机控制的Z轴平移台上，树脂经柔性气动管路由点胶机供压，制备参数为点胶压力（P_d）、单液滴点胶时间（t_d）与堆叠液滴数，微透镜通过逐层液滴堆叠形成，每个液滴沉积后即进行紫外固化以阻止未固化树脂铺展。在实验结果部分，研究人员首先改变点胶压力与点胶时间以控制打印微透镜形状，目标是获得较小曲率半径。单液滴实验显示：最小体积V₁=104 pL（P_d=0.1 bar，t_d=100 ms）时界面角为27.5°、ROC为120 μm；体积增至V₂=178 pL（P_d=0.2 bar，t_d=600 ms）时界面角增至55.75°、ROC降至52 μm；最大体积V₃=1200 pL（P_d=0.4 bar，t_d=800 ms）时界面角达98.45°、ROC回升至68 μm。由于接触线钉扎在光纤边缘、基底面积近似恒定，ROC并非随体积单调减小，而存在约在V₂附近的最优体积区间。据此选定V₂=178 pL用于后续研究，并因单液滴不足以实现聚焦而开展液滴堆叠。原位监测显示，随沉积层数增加，ROC在约50 μm处保持稳定，高度与ROC的变异系数分别为3.9%与3.2%，误差棒即据此估算；但高度随层数并非线性增长，因每滴紫外完全固化前约有3 s延迟，材料在重力作用下下垂，使每层净增高度减少。基于此，研究人员固定打印参数、改变层数，以55、101和114个液滴分别制备出高度263 μm、360 μm和380 μm的三个微透镜，55至101层增高97 μm，而101至114层仅增高20 μm，三者的ROC均稳定在约50 μm。光学表征显示：样品S₅₅焦斑光束半径3.6 μm、工作距离195 μm；样品S₁₀₁获得最小焦斑光束半径1.7 μm、工作距离38 μm，M²=1.10；样品S₁₁₄焦斑光束半径3.4 μm、工作距离28 μm，M²=1.42，光束质量因高液滴数下重力下垂引入的几何缺陷而退化。结果表明在给定ROC为50 μm时，360 μm高度接近该材料与参数组合下的最优透镜高度，继续堆叠反而降低聚焦性能。仿真验证方面，研究人员由实测截面轮廓重建三维几何并导入Meep FDTD环境，以635 nm波长、SM600基模为激励源、完美匹配层为边界条件进行仿真；样品S₁₀₁仿真光束半径1.5 μm、工作距离41 μm，与实测1.7 μm和38 μm吻合良好，全部样品的仿真与实测光束半径及工作距离均呈现一致吻合，微小偏差归因于轮廓提取的形状检测不确定度、固化聚合物残余表面粗糙度以及仿真几何完美旋转对称假设。重复性评估方面，研究人员以相同优化参数独立制备七个微透镜样品，仅改变沉积层数，成功制备高度至约400 μm的微透镜，ROC始终接近50 μm，标准差为2.46 μm，各透镜单独表征并以其实测轮廓生成对应仿真几何，一致的ROC及实测与仿真光学特性的吻合证明了该制备工艺的重复性。

讨论与结论部分，本研究开发了一种基于液滴的微针点胶技术，用于在单模光纤端面直接制备光聚合物微透镜。该工艺采用顺序逐层液滴沉积并对每个液滴单独紫外固化，无需传统光刻或模塑工艺即可在保持相近曲率半径的同时可控调节微透镜高度。通过改变沉积层数，在SM600光纤上制备了不同工作距离的微透镜，透镜高度为263 μm至400 μm，ROC稳定在约50 μm，兼具紧聚焦与宽工作距离范围。在635 nm波长下采用刀口法评估光学性能，不同样品获得1.7 μm至4.2 μm的焦斑光束半径与28 μm至195 μm的工作距离，证明可通过改变透镜高度调节光学响应；最小焦斑光束半径约1.7 μm在38 μm工作距离下实现，对应光束质量因子M²=1.10，表明在保持近高斯单模光束轮廓的同时实现了紧聚焦，光束轮廓仪成像亦证实这一点，所得焦斑光束直径比SM600光纤模场直径小至多34%。基于代表性样品几何的FDTD仿真与实验结果吻合良好，样品S₁₀₁（透镜高度360 μm）仿真工作距离与光束半径分别为41 μm和1.5 μm，实测为38 μm和1.7 μm，支持液滴堆叠工艺对微透镜光束整形特性的控制能力。这些特性有利于从单模光纤向模场尺寸更小的光子波导耦合，尤其在可见光波段；所制备微透镜提供焦斑尺寸与工作距离的可调组合，较小焦斑对应较短工作距离，较大工作距离伴随较大焦斑，该可调性可用于几何受限、需要不同耦合条件的光子装配；除波导耦合外，其紧凑几何与聚焦性能还可支持未来光纤集成光子与传感应用。总体而言，所提出的技术为将微透镜直接集成到光纤及其他光子平台上提供了一种可定制的方法。