一种通过聚合物模具与浇铸实现1 μm特征尺寸的简单精确的柔性衍射光学元件制作方法

《Optical Materials》：A simple, precise fabrication method for flexible DOE achieving 1?μm feature size through polymer mold and casting

　　

## 摘要

为满足柔性衍射光学元件（DOE）制造日益增长的需求，本文提出了一种基于聚合物模具和PDMS浇注的简易而精确的制造方法。与其他类似制造方法相比，该方法实现了最小特征尺寸为1 μm，比最相近方法所报道的4 μm特征尺寸缩小了4倍，且无需模具表面处理或复杂设备。该制造方法还展现了优异的重复性，横向宽度误差保持在9.2%以内，垂直高度误差保持在3.73%以内。所制造的柔性光束整形DOE表现出可靠的应变特性，在0-60%的横向和纵向机械应变下能够实现可调光束整形，变化系数（CV）变化低于12%，衍射效率变化低于4.5%。此外，所制造的DOE展现了出色的抗疲劳性能。该方法为柔性DOE的制造提供了一种经济高效且实用的解决方案。

## 引言

基于衍射光学元件（DOE）的光学相位调制技术具有高效和高集成度的优势[1][2]，能够实现光束整形[3]、分束[4]和聚焦[5]等功能。它被广泛应用于激光加工[6]、医学[7]和成像[8]等领域。近年来，随着应用需求的扩展，DOE的开发从静态刚性设计转向了柔性DOE器件[9][10]。这一演进旨在实现更好的集成度、可调性和生物相容性[11][12][13]，将DOE的应用扩展到可穿戴设备、传感技术和仿生光学等新兴领域。

近年来，柔性DOE的制造吸引了越来越多的研究关注。直接写入法和纳米压印是柔性DOE的两种广泛采用的制造方法。直接写入法利用激光在柔性材料表面或内部加工微结构。例如，Julian等人[14]使用纳秒脉冲紫外激光直接激光烧蚀薄膜柔性聚酰亚胺基底，制造了二元相位DOE光子筛。Low等人[15]使用飞秒激光直接写入加工激光诱导还原氧化石墨烯，制备了GO/rGO超薄DOE。直接写入法以其高精度制造和加工参数的精确灵活控制为特征。然而，它也存在设备成本较高和产量效率相对较低的问题。因此，该技术通常最适合小批量产品的精确制造。纳米压印通过热纳米压印、紫外纳米压印光刻和机械模具压制等技术，将模具图案直接转移到聚合物材料中。Quan等人[16]采用热纳米压印，将FIB纳米研磨制造的硅纳米图案模具放入样品模具中，对PDMS进行热压印，制造了可拉伸的双轴和剪切应变传感器。Xie等人[17]使用紫外纳米压印光刻开发了柔性晶圆级双功能超表面。他们通过透明聚合物印章在PET基底上压印了纳米柱，并通过电子束蒸发沉积了Cr、SiO?和Cu层。然而，在纳米压印技术中，模具精度对最终柔性光学元件的质量至关重要，这需要使用高精度的制造技术。为解决这一问题，一些研究者提出了使用低成本模具进行纳米压印的方法。例如，Choi等人[18]在紫外纳米压印光刻中使用可水溶性聚乙烯醇（PVA）复制模具，在柔性PET薄膜上制造了高纵横比金属透镜。溶解模具可以消除剪切应力并降低成本，但模具不可重复使用，导致材料浪费。此外，大面积纳米压印的实施还面临压力分布不均匀的问题。为实现均匀的大面积压印，设置不同设备也会增加制造的复杂性[19]。总体而言，由于直接写入法和纳米压印方法成本高且工艺复杂，理想的柔性DOE制造方法应兼具低成本、简便性、高材料利用率与高精度。

为实现理想的柔性DOE制造方法，一些研究者引入了浇注方法[20][21]。该工艺通常涉及将预聚物溶液直接浇注到模具上，经固化脱模后形成最终产品。例如，Zhang等人[20]提出了一种柔性可调谐谐波衍射透镜。该方法利用单点金刚石车削制造黄铜模具。将PDMS预聚物溶液倒入黄铜模具并进行旋涂。固化后，使用聚丙烯酸酯胶带将PDMS薄膜粘附到拉伸器上进行脱模。Howe等人[21]也展示了聚酰亚胺薄膜多级菲涅尔带板（FZP）。使用光刻和干法反应离子刻蚀技术制造了具有多级结构的硅模具。将聚酰亚胺溶液旋涂在模具上并进行固化脱模。然而，这些方法仍然依赖于通过复杂技术制造的模具。此外，它们主要用于生产较大特征尺寸的元件，如衍射透镜，其制造高精度微结构的能力仍有待完全验证。另一方面，由于聚合物模具易于制造[22][23][24][25][26]，吸引了研究者的越来越多的关注。

本文提出了一种基于聚合物模具和聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇注的柔性DOE简易而精确的制造方法，实现了1 μm的特征尺寸。模具制造和柔性DOE的批量生产都具有高精度和工艺简便的特点。建立了一套完整而详细的制造流程。作为示范，使用该方法设计并制造了一款用于光束整形的2级柔性DOE。对模具和所得柔性DOE分别进行了表征，确认了良好的微结构特性。验证了聚合物模具具有可靠的使用寿命，可以支持多次PDMS浇注。此外，光学实验表明所制造的柔性DOE实现了相对均匀的可调光束整形。与传统软光刻、复制模塑和光刻胶浇注方法相比，该方法具有特殊差异：（1）不需要复杂的模具制造设备，直接利用光刻胶微结构本身作为主模具。（2）光刻胶微结构固有的疏水性消除了抗粘表面处理的必要性，这是传统软光刻和复制模塑所必需的。

## 章节片段

### 通过聚合物模具和PDMS浇注制造柔性DOE的提出方法

所提出的制造方法首先通过光刻在基底上精确制造聚合物微结构。随后，将PDMS预聚物浇注在其上并固化为薄膜，从而将所需图案转移到柔性PDMS薄膜上。脱模后即得到目标柔性DOE。

图1展示了总体制造流程图。在本研究中，使用硅片作为基底，采用光刻胶形成聚合物微结构。

### 具有1 μm特征尺寸的柔性DOE的结构表征

为验证所提出方法的可行性，我们设计并实现了一款2级柔性DOE，将波长为520 nm的入射高斯光束整形为输出矩形光束。DOE的像素尺寸为1 μm × 1 μm，总像素数为2000×2000。使用焦距为100 mm的傅里叶透镜，其焦平面为输出目标平面。整形后的矩形光束尺寸为16.5 mm × 1.1 mm。DOE的相位分布使用IFTA算法计算。

### 所制造柔性DOE的机械应变测试

所提出方法制造的柔性DOE基于PDMS材料，具有良好的光学透明度、化学稳定性和柔性[30]。我们测试了所制造柔性DOE在承受机械应变时的可调光束整形性能。根据描述夫琅禾费衍射理论中目标面与输入面之间关系的公式：

Δx = λdΔa·N

可以推断，当波长λ、工作距离d和像素数N

## 结论

本文提出了一种使用聚合物模具和PDMS浇注制造柔性DOE的方法。基于该方法，首先制造了高精度聚合物模具。在保证模具重复性的同时，实现了柔性DOE的高效精确生产，最小特征尺寸为1 μm，横向宽度误差小于9.2%，垂直高度误差在3.73%以内。这将该制造方法可实现的特征尺寸缩小了4倍。光学

## CRediT作者贡献声明

Niu Bowen：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，验证，软件，形式分析，数据整理。
Dai Qun：调查。
Ao Yu：资源。
Xu Xuanwei：概念化。
Qiao Yu：指导。
Hu Yanjun：形式分析。
Fan Guofang：方法论，资金获取。

## 利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的与本文报告工作相关的财务利益冲突或个人关系。

## 致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（2023YFF0720301）的资助。

Niu Bowen | Dai Qun | Ao Yu | Xu Xuanwei | Qiao Yu | Hu Yanjun | Fan Guofang

教育部全光网络和先进电信网络重点实验室，北京交通大学光波技术研究所，北京，100044，中国