超薄輕質(zhì)的激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）衍射光學(xué)元件

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）、新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）、松下生產(chǎn)科技亞太（PFSAP）等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表了題為“Ultra-thin light-weight laser-induced-graphene (LIG) diffractive optics”的論文。在這篇綜述論文中，研究團(tuán)隊(duì)介紹了超薄的石墨烯光學(xué)元件設(shè)計(jì)和制造方面的最新研究進(jìn)展，這將開(kāi)辟緊湊和輕質(zhì)光學(xué)元器件的新市場(chǎng)：下一代內(nèi)窺鏡腦成像、太空互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)表面輪廓測(cè)量和多功能移動(dòng)設(shè)備。

為了以合理的投資成本提供更高的設(shè)計(jì)靈活性、更低的工藝復(fù)雜性和無(wú)化學(xué)工藝，激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）的直接激光寫(xiě)入（DLW）正被積極應(yīng)用于平面衍射透鏡（PDL）的圖案化。為了在DLW中實(shí)現(xiàn)最佳的光學(xué)性能，研究人員對(duì)不同激光參數(shù)下的光子與材料的相互作用進(jìn)行了詳細(xì)研究；并在幅值和相位方面對(duì)所得到的光學(xué)特性進(jìn)行了評(píng)估。利用不同的基材，一系列示例性的激光寫(xiě)入1D和2D PDL結(jié)構(gòu)已被演示，然后，這些示例被擴(kuò)展到等離子體和全息結(jié)構(gòu)。這些超薄和輕質(zhì)PDL與傳統(tǒng)的塊體折射或反射光學(xué)元件的組合可以將每個(gè)光學(xué)元件的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。通過(guò)綜合這些研究進(jìn)展，科研人員提出了在未來(lái)的微電子表面檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、外太空和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）行業(yè)中實(shí)現(xiàn)混合PDL的建議。

考慮到大規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)需求，PDL的DLW可以被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)混合光學(xué)的潛在替代技術(shù)，如圖1a、1b所示。PDL包括1D/2D衍射光學(xué)、菲涅爾波帶片（FZP）、光子篩和超構(gòu)表面（metasurfaces），如圖1b所示。在柔性或可拉伸襯底上直接激光寫(xiě)入PDL的保形層可以直接附著在任意光學(xué)表面上。這種組合可以使每個(gè)光學(xué)元件都發(fā)揮積極的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)；它可以進(jìn)一步提供全新的、前所未有的功能。新型2D材料，如石墨烯、二硫化鉬（MoS2）和MXene等被認(rèn)為是基礎(chǔ)光學(xué)材料；這些材料可以為未來(lái)的電活性動(dòng)自適應(yīng)光學(xué)提供新的光學(xué)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)以及電學(xué)特性。超薄石墨烯光學(xué)器件將開(kāi)辟緊湊和輕質(zhì)光學(xué)元器件的新市場(chǎng)，如圖1c所示。

圖1 平面衍射透鏡（PDL）的直接激光寫(xiě)入（DLW）

平面衍射透鏡：圖案化技術(shù)

圖案化方法分為光刻法或直寫(xiě)法；大多數(shù)PDL是通過(guò)光刻技術(shù)制造的。盡管高分辨率是光刻技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)通常也存在成本高、設(shè)計(jì)靈活性低、需要預(yù)先設(shè)計(jì)掩模以及缺乏工藝穩(wěn)定性等一些缺點(diǎn)。

直接激光寫(xiě)入是一種具有高設(shè)計(jì)靈活性的圖案化技術(shù)，可以在沒(méi)有預(yù)先準(zhǔn)備掩?；蛴卸净瘜W(xué)蝕刻工藝的情況下創(chuàng)建任意圖案。DLW系統(tǒng)示例如圖2a所示。激光器是激光加工的核心部分，是整個(gè)DLW系統(tǒng)的能量源。波長(zhǎng)、峰值功率和脈沖寬度是激光器的關(guān)鍵因素；在DLW系統(tǒng)中，選擇反射鏡涂層和透鏡材料時(shí)必須考慮激光波長(zhǎng)和光學(xué)器件的損傷閾值。其它的光束控制參數(shù)包括光束大小、掃描速度、焦距和掃描次數(shù)，這些參數(shù)可以在DLW系統(tǒng)的控制單元中設(shè)置，該控制單元由中央處理單元（CPU）、激光控制器和運(yùn)動(dòng)控制器組成。

圖2 PDL的DLW系統(tǒng)示意圖

石墨烯、還原氧化石墨烯和激光誘導(dǎo)石墨烯

石墨烯是碳的同素異形體，其中六個(gè)碳原子在單層中形成單體蜂窩單元晶格結(jié)構(gòu)，如圖3a所示。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，石墨烯具有獨(dú)特的電學(xué)、化學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能；它具有較大的理論比表面積（2630 m2/g）、高楊氏模量（~1.0?TPa）、非常高的載流子遷移率（200000?cm2/V/s），高透光率（波長(zhǎng)550 nm時(shí)約97.7%?nm）和高導(dǎo)熱性（約5000?W/m/K）。由于這些優(yōu)異的材料性能以及生物相容性，它們已被廣泛應(yīng)用于電子學(xué)、傳感器、執(zhí)行器、光子學(xué)、光電子器件、機(jī)械復(fù)合材料和生物醫(yī)學(xué)器件等各種應(yīng)用。

圖3 石墨烯的結(jié)構(gòu)和合成方法

研究人員介紹了石墨烯相關(guān)的光學(xué)基材：石墨烯、還原氧化石墨烯（rGO）和激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG），詳細(xì)分析了這些材料的化學(xué)特性、電學(xué)特性、力學(xué)特性和光學(xué)特性，并討論了光-材料在不同關(guān)鍵激光參數(shù)下的相互作用，以實(shí)現(xiàn)最佳的PDL性能。

基于石墨烯的超薄平面光學(xué)：設(shè)計(jì)和圖案化

圖案化PDL的光學(xué)性能通過(guò)比較設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)驗(yàn)性能來(lái)進(jìn)行表征。表征從最簡(jiǎn)單的1D/2D光柵和菲涅爾波帶片（FZP）開(kāi)始；然后，將其擴(kuò)展轉(zhuǎn)移到凸折射透鏡的FZP陣列，進(jìn)一步到等離子體和全息樣本。盡管這一系列的示例還不能輕易地實(shí)現(xiàn)混合光學(xué)，但接下來(lái)的努力將在不久的將來(lái)使混合PDL取得成功。

圖4 1D GO/rGO FZP的光學(xué)表征

圖5 基于LIG的1D衍射光柵

超薄LIG平面衍射透鏡：代表性應(yīng)用

研究人員介紹了石墨烯基PDL在內(nèi)窺鏡生物成像、輕質(zhì)太空光學(xué)、快速表面輪廓測(cè)量和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)行業(yè)的復(fù)雜功能混合光學(xué)等方面的應(yīng)用前景，并對(duì)后續(xù)研究工作提出展望，以推進(jìn)超薄輕質(zhì)PDL的大批量生產(chǎn)。

圖6 將柔性PDL轉(zhuǎn)移到剛性折射光學(xué)元件上實(shí)現(xiàn)混合光學(xué)元件

圖7 微型光學(xué)相干斷層掃描（OCT）應(yīng)用的緊湊PDL

綜上所述，研究人員介紹了由激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）通過(guò)直接激光寫(xiě)入（DLW）圖案化而成的超薄、緊湊、輕質(zhì)平面衍射透鏡（PDL）的技術(shù)趨勢(shì)和最新研究工作，這些PDL具有高設(shè)計(jì)靈活性和高適形性（柔性和可拉伸性）。利用DLW圖案化的LIG PDL可以實(shí)現(xiàn)新型的混合光學(xué)元件；折射、反射和衍射光學(xué)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)可以集成到混合光學(xué)元件中，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)的內(nèi)窺鏡腦成像、高速空間互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)高速表面輪廓測(cè)量和多功能移動(dòng)設(shè)備。多功能非對(duì)稱PDL陣列也將在工業(yè)領(lǐng)域中開(kāi)辟新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。為了在短時(shí)間內(nèi)賦予這些新的可能性，深入了解基礎(chǔ)材料（如石墨烯、MoS2、MXene）、柔性/可拉伸襯底（如PDMS、ecoflex）和光-材料相互作用是先決條件。此外，詳細(xì)的參數(shù)研究、多物理場(chǎng)模擬、化學(xué)表征、分子模擬和跨學(xué)科討論也應(yīng)該伴隨著進(jìn)行。

審核編輯：劉清