通过双光子聚合技术快速制备可调谐的光流控微透镜阵列

《Optics & Laser Technology》：Rapid fabrication of tunable optofluidic microlens arrays via two-photon polymerization

本研究提出了一种基于两光子聚合的直接激光写入技术制备溶剂可调光流体制微透镜阵列的新方法，通过折射率调制和聚合物溶胀形变协同作用实现焦距和光斑尺寸的可调，并应用于高灵敏度生物样本检测与实时成像。

　　

王文博|张一敏|焦青波|郑书文|钱梦丹|刘玉芳

河南省红外光谱测量与应用重点实验室，河南师范大学物理学院，新乡市，河南453007，中国

摘要

微透镜阵列（MLAs）是重要的光学组件，在光通信、光学传感和生物医学成像领域有广泛的应用。可调光学、微流控技术和飞秒激光制造技术的最新进展推动了针对可调MLAs的深入研究，旨在克服固定焦距MLAs的固有局限性。在这项研究中，我们提出了一种利用双光子聚合（TPP）技术制备溶剂可调光流控MLAs的新方法，该方法无需复杂的辅助设备。实验结果证实，制备出的光流控MLAs在焦距、数值孔径（NA）和焦斑尺寸方面具有内在的可调性。此外，我们还证明了这些通过飞秒激光处理的MLAs可以有效地用于细胞计数和成像，实现生物样本的高灵敏度检测和实时监测。这项工作为制备高性能可调光流控MLAs提供了一种简便且可扩展的策略，对于推进3D成像、生物医学传感和先进显示技术的发展具有巨大潜力。

引言

微透镜阵列（MLAs）是现代光学系统中的关键光学组件，由周期性或非周期性的微米级透镜排列组成（例如六边形、方形或圆形图案）。与传统单透镜相比，MLAs具有独特的优势，包括宽视场、高光利用效率和出色的微型化潜力，已成为高性能光学设备（如微光学模块和紧凑型成像传感器）的核心组件，它们在光学像差校正、高精度光聚焦和超广角成像等方面发挥着重要作用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。然而，具有固定焦距和数值孔径（NA）的传统MLAs越来越无法满足智能行业动态多变的应用需求。这一差距对可调MLAs的材料属性（如生物相容性、机械稳定性、光学透射率）和制造工艺（如精度、集成能力和成本效益）提出了严格的要求[14]、[15]、[16]。

可调MLAs的最新进展集中在多种制造策略和功能调制机制上。例如，Ma等人（2019年）通过将基于蛋白质的生物微结构与常规光学透镜集成，构建了复合复合眼系统[17]；Liang等人（2022年）开发了双通道可调光流控MLAs以实现光学参数调节[18]；Zhong等人（2023年）提出了一种电液动力喷射（E-jet）打印方法，用于制备具有可调光学性能的PDMS基光流控MLAs[2]；Liang等人（2025年）通过不相溶液体的对流-扩散在金字塔形微通道中实现了梯度折射率（GRIN）分布，从而实现了腔体填充MLAs的焦距调节[19]。同时，也有研究探索了天然微结构（如蛋白质[20]、红细胞[21]、脂质滴[16]、叶绿体[22]）作为生物相容性微透镜的潜力，但这些生物系统在实际应用中存在机械稳定性差和可扩展性受限的问题。尽管取得了这些进展，但大多数报道的可调MLAs仍受到固有缺陷的制约：复杂的制造流程、单模式调节机制以及阵列中单个透镜的局部调节空间选择性不足。

传统上，光流控MLAs的焦距调节依赖于调整周围介质的折射率[23]。这种策略从单一介质折射率调节发展到多介质混合方法，使得光流控微透镜阵列的焦距和焦斑尺寸能够动态调节。然而，这种方法存在一些关键限制，如由于频繁更换介质而导致的不连续调节、受可用材料折射率窗口限制的狭窄调节范围，以及无法实现MLAs的局部调节。为了解决这些挑战，本研究提出了一种利用聚合物材料膨胀效应的新型调节方法。

在这项工作中，我们使用双光子聚合直接激光写入（TPP-DLW）技术制备了溶剂响应型光流控MLAs。核心创新在于结合了两种独立但协同作用的调节机制：（1）光流控MLA腔体内固有介质的折射率调节；（2）有机溶剂膨胀引起的丙烯酸酯基聚合物基底的形态变形。这种双机制策略不仅确保了设备的高质量和内在光学功能，还赋予了MLAs动态的环境响应性和长期运行稳定性。通过同时调节工作介质的折射率和溶解度参数，我们实现了焦距和焦斑尺寸的协同调节，从而显著提升了光流控MLAs的成像性能。

部分摘录

光敏聚合物的制备

在典型的合成过程中，将0.1克2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基膦氧化物、0.05克苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰)膦氧化物和0.05克锂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰膦酸盐（LAP）加入到0.9克丁基甲基丙烯酸酯（BMA，单体）中。混合物在30°C的水浴中浸泡并接受10分钟的超声处理以促进溶解。随后，加入1.4克丙氧基三甲基羟丙烷三丙烯酸酯（PO3-TMPTA，交联剂）

光流控微透镜聚焦特性的模拟

为了全面评估光流控微透镜的光学性能，采用了两种互补的模拟方法来研究它们的聚焦特性。第一种方法使用COMSOL Multiphysics中的几何光学模块进行光线追踪，模拟微透镜的三维（3D）聚焦行为。通过直接模拟光在微透镜介质中的传播轨迹，该方法有效地获得了

结论

总结来说，我们利用TPP-DLW技术制备了溶剂可调的光流控MLAs。通过调整扫描线间距和曝光时间，可以可控地调节光聚合物网络的体素大小和空间分布，从而实现纳米级的网络密度调节。这种纳米级调节赋予了光流控微透镜对刺激的响应性，允许通过溶剂诱导的膨胀实现焦距的可逆调节。

CRediT作者贡献声明

王文博：撰写——原始草案，正式分析。张一敏：研究。焦青波：数据管理。郑书文：资金获取。钱梦丹：概念构思。刘玉芳：资源提供。

资助

本工作得到了河南省重点科学基金项目（编号：252300421298）和河南省研究生教育改革与质量提升项目（编号：YJS2024JD32）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。