3D微光學領域正在迅速擴展，飛秒激光直寫3D多光子光刻（MPL，也稱為雙光子或多光子聚合）正在取得重要進展。通過 MPL 實現的微光學在十年前就出現了，并且該領域在過去五年中出現了爆炸式增長。令人印象深刻的發(fā)現揭示了它在光束整形、先進成像、光學傳感、集成光子電路等方面的潛力。這一領域的主要老牌公司改變了游戲規(guī)則并日益增長的工業(yè)興趣支持了這一點。在這篇綜述中，通過描述時間順序、區(qū)分離散應用組、提供有關工藝和可用材料的通用技術數據以及討論可預見的近期進展，詳細介紹了 MPL 微光學制造的起源和進展。
劃重點
雙光子3d打印代加工;
●設備NANOSCRIBE GT2
●特征尺寸:橫向200納米，縱向400納米
●深寬比:5:1。
●最大尺寸:500um*500um
●最大高度:100um
●基板:玻璃/光纖/其他光滑基底
●打印形狀：微針，微透鏡，光纖端面結構，衍射結構，其他微納結構
雙光子膠水-全國產，可定制開發(fā)-;
該膠水相對于競爭對手膠水，
*活性更高
*紫外不敏感，無需避光低溫保存雙光子聚合活性更高，15mw激光功率下打印速度就可以達到100mm/s
*可以兼容515nm-800nm的飛秒激光
*高性價比,1管5g一管起訂。
*已在多家大型設備上驗證
介紹
激光應用的快速增長刺激了新型光學元件的需求和供應。與此同時，設備正在變得小型化和高度集成，以最大限度地提高功能。在這里，激光技術領域與產業(yè)趨勢相遇，產生協同效應。
雖然 1991 年首次將超快激光器用于 3D 結構，用于光學數據存儲， 1 Maruo 在 1997 年的技術開放文章中首次提出了使用超快激光器創(chuàng)建 3D 打印物體， 2其中使用該技術來制造還設想了微光學。該技術的串行寫入方法為自由形式制造提供了靈活性，但受到其吞吐量的限制。 3該技術花了幾年時間才從原理驗證水平發(fā)展到增材制造，成為現代實驗室高效可靠制造的工具。 4 - 6雖然第一批微光學元件早在 2006 年就已被展示， 7 但主要努力和成果直到 2010 年才開始顯現， 8 , 9隨著有機-無機雜化材料的發(fā)展， 10 , 11并迅速加速隨著商業(yè) 3D 光刻系統(tǒng)的實施。12 - 14到 2020 年，超快激光 3D 打印，也稱為雙光子聚合（TPP 或 2PP）、多光子光刻 (MPL)， 15 - 17或簡稱為激光直寫 (LDW)，在文獻中也稱為直接打印激光寫入（DLW）， 18 ）已經成為各種微光學單元件、堆疊元件和集成器件的常規(guī)制造的成熟技術。 19 - 21自由形態(tài)微光學 3D 打印的最新進展通過高折射率 ( n ) 聚合物光學級材料、 22高性能混合材料、 23和光學活性24或純無機玻璃得到增強。 25圖1顯示了該技術在已發(fā)表論文和引用方面的發(fā)展情況，定義了該技術的“創(chuàng)新者階段”，然后從 2015 年開始進入“早期采用者階段”。圖1還顯示了使用 MPL 制造的微光學元件的示例以及通過該技術可以實現的結構復雜性的增長。
過去 25 年原創(chuàng)論文發(fā)表和引用的動態(tài)。原始論文數量與綜述文獻列表中包含的參考文獻相對應。引用次數代表從 Web of Science 搜索關鍵字“微光學”+“激光光刻”檢索到的數據。 a) MPL 系統(tǒng)示意圖。b) 出現了不同的制造策略，例如紫外光刻的實施。單個元件，如 c) 球面透鏡，作為微光學器件的構建模塊，以及 d) 后處理技術，例如用于微元件特定功能化的金屬化。MPL 允許在不同的基板上進行制造，包括 e) 堆疊微透鏡的玻璃蓋狹縫和光纖，以及復雜的 3D 結構，例如 f) 褶皺軸棱鏡、g) 光子晶體纖維狀結構，以及 h) 微透鏡陣列超級望遠鏡。b) 經許可改編。 9版權所有 2010，IOP 出版社。c) 經許可改編。 26版權所有 2010，美國物理研究所。d) 經許可改編。 27版權所有 2011，美國物理研究所。e) 經許可改編。 28版權所有 2017，愛思唯爾有限公司 f) 經許可改編。 29版權所有 2016，光學協會。g) 經許可改編。 30版權所有 2020，光學協會。h) 經許可改編。 31版權所有 2021，光學協會。
這一科學領域的進展引起了相關激光輔助精密增材制造行業(yè)的關注。首先，2007 年 Nanoscribe GmbH 和 2008 年 Photonics Workshop 成立了公司，致力于將該技術商業(yè)化，針對一般廣角應用領域。2013 年，Multiphoton Optics GmbH 和 Femtika UAB 成立，使微光學成為其目標應用的重要組成部分。最后，Vanguard Photonics GmbH 在 2017 年制造了用于微透鏡和引線鍵合生產的專用 MPL 設備。其他瞄準更多樣化應用的公司不斷涌現，例如 2018 年成立的 UpNano，主要專注于生物醫(yī)學應用，但也提供微光學相關組件和材料的生產解決方案。現在還有許多專門用于微光學的 MPL 商業(yè)設置，例如 Quantum X Align（由 NanoScribe 提供）。
在本專題綜述的范圍內，我們將概述該領域的時間順序和發(fā)展，突出最突出的進展，并按其操作原理或應用對成就進行分組。圖1按時間順序顯示了一些里程碑，展示了使用 MPL 創(chuàng)建的光學微結構的復雜性方面的進展和進步，并將在以下部分中進行更詳細的描述。趨勢是，努力的重點是開發(fā)技術并證明其微型化原型微光學的可行性。后來，隨之而來的是幾種功能的耦合，這在原則上只有通過各個模式的密集集成才可能實現。最后，光學級材料開始用于重型應用，同時組裝到已建立的平臺（微芯片）中。預計在建立專用于 3D 微光學的先進計量學方面將取得進一步進展，隨后將實現比較和可重復性協議的標準化。以下各節(jié)將依次介紹上述所有內容： 1 ．介紹; 2 .超快激光3D微納光刻原理及進展； 3 .制造方式； 4 .單個微光學元件； 5 .應用； 6 .材料和后處理； 7 .總結和結論。
2 超快激光3D微納光刻原理及進展
MPL 的主要工作流程已經很完善，目前主要作為標準程序運行。 4 - 6 , 15 , 32盡管關于時空受限光條件下的光物理/化學引發(fā)機制仍然存在活躍的爭論，但17超短脈沖激光器目前占主導地位， 33而較長的脈沖持續(xù)時間（ps，ns） 34 , 35或甚至 CW 36操作光源也適用于此目的。本綜述未涵蓋光激發(fā)機制的細節(jié)，但為了簡單起見，我們將其視為非線性光-物質相互作用（無論非線性是由閾值激發(fā)還是材料響應行為引起）。典型設置采用 100 kHz–80 MHz 重復率的 100–300 fs 脈沖，在焦點處提供大約 TW cm 2強度。使用的輻射不應以線性方式顯著相互作用；因此，它被選擇為 VIS（以 515–532 nm 為中心）或更常見的 NIR（以 780–800 nm 為中心）波長。一些非常規(guī)參數，如 CW、1 kHz 或 400 nm，也可用于真正的 3D 結構，從而產生局部熱效應、 37不同的雪崩電離、 38受限線性吸收、 39或觸發(fā)兩步吸收機制。40不同的方法可以帶來特定的好處，例如避免使用光引發(fā)劑或降低設備成本和復雜性。然而，這些方法仍然不常用于通過 LDW 技術生產微型光學元件。最后，超快激光器是主導技術的事實反映在商業(yè)化的激光裝置中，幾乎所有這些裝置都專門使用飛秒高脈沖重復率激光振蕩器（Nanoscribe，光子學工作室）或整個放大系統(tǒng)（Femtika，多光子光學）。
MPL 的原理制造順序如圖2所示。曝光策略可以通過以下方式實現：1）以光柵或矢量模式串行寫入（逐點）； 41 - 43 2) 干涉/全息術； 44 - 46 3）并行寫作； 47 - 50或 4) 連續(xù)體積打印。 51 , 52所有這些在實現復雜形狀的靈活性、加速生產或允許使用不同的樹脂方面都具有某些特定的優(yōu)勢。盡管可以采用各種方法來創(chuàng)建微光學元件，但除了分辨率（3D 打印物體的精度）之外，它們的曝光劑量和均勻性、表面質量和拼接偽影也可能影響有效折射率和光學性能。由于迄今為止還沒有建立復雜且通用的表征標準，因此沒有單一的最佳方法可以生產整個范圍的微光學幾何形狀。然而，科學界的原創(chuàng)改進和工業(yè)界的具體解決方案正在出現，以滿足應用驅動的需求。
激光直寫 3D 多光子納米光刻工藝：a) 飛秒光束緊密聚焦到預聚物材料中，將光與物質的相互作用限制在（亞）波長范圍內；b) 掃描光束焦點或平移工件以具體化計算機模型，并將其復制到相應的曝光體積中；c) 使用濕化學顯影來顯示 3D 物體；d) 自由形式的自立結構，可用于特定的光學功能或作為通過后處理實現附加功能的模板。
a) 平行線性、固定層間距環(huán)形掃描和動態(tài)層間距掃描策略的環(huán)形掃描。b) 殼表面聚合，然后進行內部體積的顯影和 UV 固化。c) 通過在制造過程中動態(tài)改變激光功率來控制折射率。d) 經典 TPL 與 2GL 體素大小定義的比較。a) 經許可改編。 7版權所有 2016，光學協會。b) 經許可改編。 9版權所有 2010，IOP 出版社。c) 經許可改編。 62版權所有 2021，光學協會。d) 經許可改編。 60版權所有 2021，光學協會。
a) 單微透鏡和 b) 密排高數值孔徑六角形微透鏡陣列。c) 片上自由形狀準直透鏡。d)（斜視圖）涂有銀的拋物面反射器，e）（俯視圖）用聚焦離子束蝕刻的光孔特寫。f) 光敏硅基復合材料微棱鏡，高負載異丙醇鍺。g) 覆蓋多模光纖纖芯的拋物面微反射器。h) 相息圖透鏡的中心部分。i) 用于片上中心凹成像的復合微透鏡系統(tǒng)陣列。a,b) 經許可改編。 26版權所有 2010，美國物理研究所。c) 經許可改編。 66版權所有 2016，光學協會。d,e) 經許可改編。 27版權所有 2011，美國物理研究所。f) 經許可改編。 23版權所有2012，愛思唯爾有限公司。g) 經許可改編。 78版權所有 2013，光學協會。h) 經許可改編。 91版權所有 2018，Wiley-VCH。i) 經許可改編。 28版權所有 2017，愛思唯爾有限公司
a) 偏振分束器由藍色突出顯示的棱鏡、紅色的層狀光柵和綠色的支撐結構組成。b) 近紅外范圍內自由形式逆向設計的 PBS，具有 10 個周期和 30 μm 長度。c) 基于絕熱模式轉換的通過扭曲波導的偏振路由器。d) 抗諧振空心，以及 e) 分形環(huán)芯 PCF 設計。f) 橫截面，g) 六股 1 厘米長的空心輕型籠的頂視圖。 105 a) 經許可改編。 95版權所有 2018，光學協會。b) 經許可改編。 96版權所有 2019，Wiley-VCH。c) 經許可改編。 101版權所有 2019，Wiley-VCH。d,e) 經許可改編。 99版權所有 2020，光學協會。f,g) 經許可改編。 105版權所有 2019，美國化學會。
用于生成貝塞爾光束的內擺線和外擺線軸錐鏡：a) 傾斜入射視圖和 b) 頂視圖。c) 微透鏡陣列和 d) 多芯光纖束上的整個超望遠鏡，用于雙光子成像。e) 光纖錐體上直徑 20 μm 的微環(huán)諧振器，f) 使用白光激發(fā)的微環(huán)的光學顯微鏡圖像。單模光纖上的衍射菲涅耳透鏡，用于雙光纖光捕獲，g) NA = 0.5 和 h) NA = 0.7。a,b) 經許可改編。 29版權所有 2016，光學協會。c,d) 經許可改編。 31版權所有 2021，光學協會。e,f) 來自作者 V. Melissinaki 博士和 M. Farsari 博士，并得到他們的許可，可以在本次審查中重復使用它。 136 g,h) 經許可改編。 137版權所有 2019，美國化學會。
a) 使用光子引線鍵合的光纖到芯片連接。b) 用于單光子生成的波導、耦合器和微盤諧振器的 3D 量子光學組件。c) 全視圖和 d) 半徑為 850 nm、高度在 0.4 至 0.5 μm 之間的像素陣列的特寫，以支持 ANN。a) 經許可改編。 162版權所有 2018，光學協會。b) 經許可改編。 169版權所有 2013，自然出版社。c,d) 來自作者 E. Goi 博士，并同意在本次審查中重復使用它。 178
光激發(fā)光束通常使用干法、 21浸油、 9或浸入53方法通過顯微鏡物鏡聚焦。它們的數值孔徑 (NA) 和放大倍數可以根據所需的精度（與吞吐量成反比）、使用的材料（液體或溶膠-凝膠/固體）和幾何形狀（2.5D 或復雜的自由形式 3D）或平臺（例如，玻璃、硅或金屬基板、光纖面、CMOS 芯片、引線鍵合或中空微流體腔）。曝光后，進行濕式光刻顯影，其中大多數有機溶劑（例如醇類、異丙醇、丙酮、乙醇）或更具腐蝕性的化學品（例如 4-甲基-2-戊酮、1-甲氧基-2-丙基乙酸酯、四氫呋喃和甲苯）可以溶解。被應用。確切的顯影劑或其混合物取決于樹脂和預期的蝕刻速率?？梢圆捎妙~外的溶劑沖洗和臨界點干燥來更干凈地去除未暴露的物質并恢復結構，而不會因收縮和毛細管力而變形?？梢赃M一步利用金屬濺射或原子層沉積等一些后處理解決方案來增加微光學元件的功能。所生產的模板可以用作主印?；蛴糜谥谱鲝椭瞥尚脱谀?，以實現納米/微米結構路線的完善的納米壓印和軟光刻倍增。最近，高溫熱處理（稱為熱解或煅燒）被驗證可以通過將微結構轉化為完全無機化合物來燒結微結構。
有幾個參數會影響 MPL 制造的微光學元件的最終特性。特征取決于體素大小和 MPL 系統(tǒng)的精度。結構的粗糙度決定了其表面質量，從而影響其光學性能。此外，MPL 技術已經實現了從亞微米到毫米級光學結構的尺寸，并且每個制造結構的制造速度降低到了幾分鐘。表1列出了微光學背景下 MPL 技術的微結構主要特征和方面所報告的不同值。
表 1.微光學背景下光學結構和 MPL 技術方面的特征。
3 制造方式
在 MPL 制造中，對設計、制造和制造后工藝的高度控制可以不斷擴大創(chuàng)造前所未有的高質量微光學器件的可能性。為了利用這種潛力，已經開發(fā)了幾種制造模式，在制造過程中控制不同的自由度，包括激光掃描策略和每個體素的能量劑量。在本節(jié)中，我們總結了最重要的 MPL 制造模式。
在基本方法中，通常通過使用恒定的激光掃描速度和激光功率（對應于入射光強度）對每個體素施加單劑量，從而在所制造的結構中產生恒定的體素尺寸和折射率。不同的幾何形狀需要特定的掃描策略，以便在制造過程中通過光刻膠跟蹤激光光斑，以獲得光滑的表面。一般來說，結構的設計被分成幾層，并在平行線之間以特定的距離繪制陰影線；該方法有利于平坦表面結構。
彎曲輪廓通常存在于微光學器件中，前面提到的掃描方法會在表面上產生不必要的臺階，從而影響其光學性能。作為解決方案，環(huán)形掃描模式被提出作為微透鏡的制造方法，與平行線相比，可以更好地近似彎曲輪廓，從而確保透鏡的球面對稱性和徑向一致性。該方法與連續(xù)可變層厚度的實施一起，減少了缺陷并提高了表面質量，如圖3a所示。由于 3D 結構是以逐層方式制造的，因此層的高度會影響表面光滑度。引入連續(xù)可變層厚度作為曲面制造的優(yōu)化。這種方法實現了光學元件（例如菲涅耳透鏡）所需的高質量和光滑形狀的表面。 7]
提出的另一種掃描策略是基于螺旋路徑來聚合錐形微透鏡（微軸錐）的表面，從而控制體素重疊。 54]
為了克服微透鏡制造時間長的問題，Malinauskas (2010) 9提出了一種不同的制造程序，包括殼表面聚合，然后在去除非功能性外部光刻膠后對未曝光的內部體積進行 UV 固化，如圖3b所示。該方法將 MPL 賦予的高分辨率與均勻的快速 UV 曝光相結合，以創(chuàng)建微型光學元件，將整個制造過程加快約 200 倍。
如今，除了眾所周知的 3D 空間參數之外，MPL 工藝中對制造參數的更高控制還允許引入新的自由度，從而允許不同的制造模式。一般來說，光聚合物材料的折射率和色散特性限制了MPL制造的微結構。制造過程中的額外自由度允許控制光聚合物的折射率。受控的非恒定制造激光強度可以將所得結構的折射率調節(jié)至可見光的 0.3 變化。該方法已被證明適合于制造如圖3d所示的梯度折射率(GRIN)微透鏡61和波導62 。 60]
對激光強度的相同控制可以產生不同的模態(tài)，從而顯著減少制造時間并提高表面質量。制造激光強度的變化會導致焦點體積的變化，從而改變體素尺寸，從而使 3D 結構的邊緣和邊界具有更高的精度。這種制造方式稱為雙光子灰度光刻 (2GL)，與傳統(tǒng) MPL 的同等尺寸體素相比，通過在結構制造過程中調整體素尺寸，可以在更少的層中實現更高的分辨率（如圖3c所示）。這種模式的實施有利于微光學應用，這些應用需要高表面質量以獲得更好的光學性能，從而減少制造時間。 60]
4 單微光學元件
現代光子技術需要高質量、高精度的微光學元件，為系統(tǒng)設計提供更大的自由度，從而實現傳統(tǒng)光學無法實現的新功能和應用。在提出通過 MPL 制造微型元件的早期工作中，研究人員專注于創(chuàng)建縮小到微型尺寸的已知光學元件工具箱。由于光學應用需要特征小于 λ/20 的元件，因此特別關注表面質量。 63]在本節(jié)中，我們總結了采用 MPL 工藝制造的主要折射、反射和衍射單微光學元件。此外，我們還進一步討論了 MPL 制造的自由形狀光學器件、偏振和波導。大多數所提出的結構將在第5節(jié)中提出的應用程序中被回顧。
4.1 折射元件
4.1.1 單微透鏡
球面、非球面和菲涅爾微透鏡是最早使用 MPL 制造的微光學元件類型。 7 - 9 , 58優(yōu)化掃描策略的開發(fā)（參見第3節(jié)）可以實現精確且輕松的鏡片曲率定制以及高光學質量。圖4a顯示了 MPL 打印的微透鏡的示例。獲得的透鏡輪廓的相對誤差可以小于0.2%。 58]
有趣的是， 64 歲的Xu 利用 MPL 制造實現的獨特成形能力，提出了一種由兩個不同的高曲率表面組成的凹凸微透鏡，可提供更多的設計自由度并最大限度地減少像差。
Ristok 57展示了迄今為止最大的單透鏡，展示了 MPL 制造高達毫米級光學元件的多功能性。如此規(guī)模的組件需要將設計劃分為整個結構的較小部分，可能會導致其表面出現可見的縫線。無縫合缺陷的光學元件由單步曝光制造而成，并呈現出模制玻璃般的透明外觀。
4.1.2 自由形式元素
通過 MPL 進行 3D 制造的多功能性允許制造復雜的自由形狀結構。不僅可以制造單一結構或已知光學元件的組合，還可以制造用于復雜光學應用的創(chuàng)新和非常規(guī)自由形狀組件。
例如，對數軸錐鏡 (LA) 是一種不同于基本球面透鏡的單一光學元件，具有較大的焦深。所得光束可以很好地近似于貝塞爾橫向強度分布，并且沿其光軸幾乎沒有變化。 65]
用于光準直的更多任意結構可以利用 MPL 在制造過程中提供的自由度。由介電全內反射 (TIR) 聚光器和 LED 頂部非球面透鏡組成的結構呈現出高光準直效率。這些元件表明，高效的初級光學器件在如圖4c所示的照明系統(tǒng)66的小型化中發(fā)揮著至關重要的作用。同樣，江67的單片雙焦點八級波帶片利用其雙焦點特性來準直來自具有高空間相干性的激光二極管的光，效率高于92%。
控制光的方向性的能力是多種光學應用所感興趣的，并且是通過復雜的自由形狀微光學器件來實現的。具有不對稱發(fā)散輸出光束的單個雙軸雙曲面微透鏡利用其兩個可調節(jié)焦點在兩個方向上對邊緣發(fā)射二極管激光器進行光束整形。 68同樣，Johlin 69提出了一種介電微透鏡，利用靈活的 3D 設計和 MPL 的兼容性，為點源和納米線發(fā)射器實現高方向性。
4.1.3 微透鏡陣列
微透鏡陣列的信噪比取決于元件的面積填充系數。已經提出了微透鏡陣列的不同模式，例如二次、 58六邊形、 54、55、58水平和垂直切片策略。 70主要目標之一是實現充分填充因子；Wu 26達到了 100%，如圖4b所示。
MPL靈活性允許在單步制造中微透鏡陣列以及多透鏡物鏡28上具有不均勻的曲率71和高度72 ，如圖4i所示。 4.2 反光元件
與折射光學設計相比，反射式光學設計的優(yōu)點是固有的消色差和緊湊性。如果設計的反射角滿足所用光聚合物的TIR條件，則可以在一步制造中獲得全電介質反射器?；蛘?，在第二個制造步驟中，可以在 3D 打印微光學元件的頂部沉積金屬涂層，以創(chuàng)建類似反射的組件。
4.2.1 TIR 反射器
對于n為 1.5 的聚合材料，當入射角高于 41度時，與空氣界面處的 TIR 條件得到滿足，其中包括與許多應用相關的 45度，因為它允許光束進行直角轉向。例如，45度棱鏡可以由混合材料23制成，如圖4f所示，并且與微透鏡結合的 TIR 鏡用于光纖和光子電路之間的面外耦合，表現出低耦合損耗。 73 - 75提出了微型奧托棱鏡作為通過 TIR 進行面外耦合的替代方案，以激發(fā)一維光子晶體中的布洛赫表面波。 76 個TIR 光束偏轉器在完全集成的光纖系統(tǒng)中實現，實現針對單細胞優(yōu)化的穩(wěn)定 3D 捕獲。 77另一方面，Bianchi 78采用拋物面反射設計，如圖4g所示，以增加多模光纖的 NA 并實現與浸沒介質無關的聚焦功率。在另一個示例中，自由形狀聚焦 TIR 反射器用于片上光捕獲。 7
同時具有折射和反射組件的光學設計稱為折折射設計。它們特別令人感興趣，因為它們可以以高數值孔徑收集光。一個例子是光線來自各向同性點發(fā)射器的設計。 80 Bertoncini 提出的高 NA 薄透鏡19基于這種折反射設計，可以取代笨重的高 NA 孔徑顯微鏡物鏡，用于在點掃描顯微鏡中轉發(fā)信號收集。
4.2.2 金屬鍍膜反射鏡
某些應用要求光學元件上的入射角不滿足 TIR 條件。如果入射角接近法線或者周圍材料的n高于空氣（例如水），就會發(fā)生這種情況。一種解決方案是在微結構上涂敷金屬涂層以提供所需的反射條件。實現光滑金屬涂層的領先技術是物理氣相沉積，例如蒸發(fā)濺射。
Atwater 27提出了一種微光子拋物面鍍銀結構作為導光器，以產生如圖4d、e所示的準直光束。同樣，微鏡與微透鏡一起創(chuàng)建了一個反向傳播系統(tǒng)，以增強熒光信號的收集。 81同樣，拋物面微鏡是通過使用熱蒸發(fā)輔助沉積將 Au 層結構沉積到光致抗蝕劑模具上而創(chuàng)建的，用于聚焦傳感應用的光。 82]
在某些情況下，僅在微結構的特定區(qū)域需要金屬涂層，以在最終設備中保留透明和反射部分。Bertoncini 83開發(fā)了一種雙步 3D 打印策略，以實現 45度鏡面的選擇性金屬化，從而實現反向傳播光捕獲裝置。鏡狀結構的另一個挑戰(zhàn)是在陰影表面或空腔內部實現均勻的金屬沉積。Williams 84解決了這一挑戰(zhàn)，同時通過打印與鉸鏈連接的結構的一部分來創(chuàng)建帶有金屬涂層鏡子的諧振腔。這樣，在金屬沉積過程中，待金屬涂覆的兩個表面被暴露并且面向相同的方向。沉積過程結束后，用微操縱器關閉鉸接鏡以形成諧振腔。
4.3 Diffractive Elements 4.3 衍射元件
新型光學系統(tǒng)利用衍射光學元件 (DOE) 的特性來創(chuàng)建高效的光轉換設備。與折射對應物不同，DOE 由不同的區(qū)域組成。光學元件中的這些區(qū)域會衍射光，從而產生干涉效應，通過光的相干疊加創(chuàng)建最終圖像。DOE 通常是通過限制其形貌的 2D 光刻技術制造的。MPL 技術制造中的 3D 靈活性和亞微米精度克服了這一限制。 85這種制造技術允許創(chuàng)建用灰度級信息86編碼的微結構以及相息圖87，相息圖87是具有高衍射效率的相位型衍射透鏡。例如，相位型和多級結構已被證明可以提高分形波帶片的衍射效率，并展示沿光軸的多個焦點。 88另一個例子是達曼光柵，這是一種二元相位傅里葉全息圖，可生成相干點源陣列。 89二元徑向 DOE 還用于從高斯光束開始創(chuàng)建所謂的“光瓶”。 56同樣，四級微浮雕 DOE 的制造展示了 DOE 所需的 MPL 亞微米級精度的多級制造能力。 90]
同樣，圖4h顯示了一個相息圖透鏡，它呈現出具有挑戰(zhàn)性的拋物線輪廓，這是通過 MPL 實現的。這些元件可實現高性能聚焦和對 X 射線波前的高度控制。 91此外，在光纖頂部制作了一個逆向設計的薄圓形光柵結構，用于波前修改。金屬透鏡元件能夠將近紅外波長的波前從拋物線變換為球面。 92最近，堆疊式 DOE 出現，利用 MPL 的 3D 制造能力，作為校正平面透鏡中場相關像差的解決方案。 93]
DOE 微透鏡陣列的制造也可以通過 MPL 實現。提出了采用 3D 焦場工程的連續(xù)表面菲涅爾微透鏡陣列。為了提高制造速度，在Y - Z平面和X方向上進行制造，以更好地控制結構高度。 94]
4.4 Polarization Elements
4.4 偏振元件
用于偏振控制的傳統(tǒng)光學裝置基于固有材料特性。示例包括雙折射晶體（例如波片）或導電材料（例如線柵偏振器）。然而，在 3D 打印微光學領域，材料通常是介電且非雙折射的。因此，控制偏振的主要策略不是基于材料的特性，而是基于我們之前討論的四種光學現象中的三種：折射、反射和衍射。
圖5a顯示了哈恩提出的折射配置示例，即由棱鏡和光柵形成的光纖面上的集成微光學元件。 95折射元件通過 TIR 將單模光纖的輸出偏轉到偏振相關的亞波長光柵，該光柵可分離偏振分量。 95]
另一方面，衍射元件用作自由形式偏振分束器，用于圖5b所示的面內光操縱。它在近紅外分束器中充當自由空間寬帶，將平行和垂直偏振分成不同的衍射級。 96]
另一種用于偏振控制的微米尺寸衍射元件是 Zanotto (2019) 通過液晶聚合物制造的光柵。 97該器件通過折射率變化實現光子響應，并通過分子重排改變光柵元件的形狀，從而由于材料的各向異性而對多個光束進行非平凡的偏振狀態(tài)管理。通過對衍射光束的偏振調制，透射光束也同時經歷偏振調制，實現對不同光束通道的偏振和幅度的獨立控制。
相反，雙折射光學延遲器由介電超表面制成，據報道其偏振轉換。 98通過將多個單獨的層堆疊到組裝的 3D 光學元件中，它們的效率可以提高十倍以上。 20可以從基于光子晶體光纖 (PCF) 設計的 3D 打印雙折射雙芯獲得多模態(tài)干涉，從而創(chuàng)建波導偏振分光裝置。 99或者，高雙折射通道波導可以通過絕熱扭轉來旋轉偏振。通過控制波導的扭轉角，偏振狀態(tài)改變?yōu)槿我饣蝾A期狀態(tài)100 ，從而允許創(chuàng)建如圖5c所示的偏振旋轉器101 ?；谙嗤ぷ髂Ｊ降钠裥D器已在光纖到芯片連接上得到演示，以便將 TM 偏振模式轉換為 TE 偏振模式。 102]
偏振控制中的另一個相關操作是將偏振光轉換成不同的偏振狀態(tài)。Bertoncini 103創(chuàng)建了一種基于微型菲涅爾菱形的線性到圓形寬帶偏振轉換器。在這里，以精確角度進行的兩次反射會在兩個正交偏振之間產生四分之一波相位延遲，從而產生圓偏振態(tài)。放置兩個菲涅爾菱形晶體可實現半波延遲，從而將偏振旋轉 90度。
4.5 波導
MPL 制造提供的前所未有的自由度已被用來根據不同的方法制造復雜的光波導配置。在第一種方法中，波導芯采用 MPL 制造，能夠創(chuàng)建 2D/3D 軌跡。印刷芯通常具有波長數量級的橫向尺寸以獲得單模波導，并最終嵌入在第二步中添加的低折射率包層材料中。這有助于在光學互連中引人注目的應用，第5.5節(jié)對此進行了回顧。
在第二種方法中，MPL 用于制造具有 PCF 幾何形狀的波導，如圖5d、e所示。 99 , 104這種方法利用了 PCF 光纖的單一材料配置以及通過改變其縱向孔的幾何形狀可獲得的大量波導光學特性。在第三種方法中，Jain 105提出了所謂的“光籠”空心波導，如圖5f,g所示。在這里，以圓形圖案排列的縱向桿的抗諧振特性允許將光限制在高滲透性的中空波導中，這對于傳感應用具有明顯的優(yōu)勢。 106在最后一種方法中，MPL 用于通過聚合具有兩種不同n的芯層和包層區(qū)域的材料來制造實芯波導。這可以通過兩種方式來執(zhí)行：1)使用兩種不同的光致抗蝕劑，一種用于芯，一種用于包層， 107或2)通過控制聚合度（交聯），從而控制單一光致抗蝕劑的n 。 62、108-111]
5 應用
5.1 結構梁——渦旋光束發(fā)生器
某些應用可能需要與經典高斯光束不同的特定光束形狀。一個例子是所謂的帶有軌道角動量（OAM）的渦旋光束，它通常呈環(huán)形。光場被賦予軸上相位奇點，對應于取決于拓撲電荷和方位角的指數形式的電場的局部方位角相位依賴性。
在光學應用中產生 OAM 光束有多種策略，其中一些策略已借助 MPL 工藝縮小到微米尺寸。最常見的渦旋光束發(fā)生器架構是螺旋相位板（SPP），其特點是針對特定波長設計的螺旋增加的光學厚度。玻璃基板上的微型單表面等離子體激元(112)和單模光纖(113)已經被提出。OAM 光束有潛力成為光通信系統(tǒng)的平臺，因為這些光束可以訪問無限數量的狀態(tài)，并且由于不同方位角模式的正交性。因此，OAM 模式的純度非常重要。Stegenburgs 114演示了 SPP 的制造，以生成高純度 OAM 光束，通過模態(tài)分解進行測量，并在光通信裝置中測試它們以傳輸數據信號。
最近，DOE 已被用來實現復雜的照明模式，例如從純幾何相變生成結構光。Wang, 98演示了具有空間變化光柵的自旋軌道光學角動量轉換器，Gissibl 演示了具有亞微米特征的用于空間強度光束整形的衍射相位板。 12 Schmidt 115提出了一種自由形式全息圖，其設計方法可實現平滑且均勻的相位分布，Oliveira 116提出了一種 DOE，用于生成具有受控數量的環(huán)的高階貝塞爾光束的疊加，顯示了衍射元素的結合復雜的設計。
不同元素的組合可以產生具有不尋常特性的渦旋光束。?ukauskas 117將通用 SPP 與軸錐鏡相結合，產生偽非衍射高階光學渦旋光束，而 Tian 118將 SPP 與透鏡相結合，產生高階聚焦渦旋光束。非常規(guī)結構也可以生成 OAM 光束，例如 Sanchez-Padilla 的圖6a、b所示的皺紋軸棱鏡。 29這些結構可以通過使用軸錐上的內擺線和外擺線曲線，從與非近軸性相關的自旋軌道相互作用產生光學渦旋。
另一方面，替代平面光學方法可以產生高階 OAM 光束。Balcytis 119通過基于 MPL 和聚焦離子束 (FIB) 銑削組合制造的高數值孔徑微透鏡的二元螺旋區(qū)域圖案，在單波前變換中展示了緊密聚焦的渦旋束。Wang 98提出了一種空間變體雙折射結構的自旋-OAM耦合器。同時，使用由基于 MEMS 的可調諧法布里-珀羅濾波器和 SPP 組成的新型片上微型元件，可以實現波長和 OAM 復用/解復用。 120另一個例子是稱為鏡面旋轉對稱單焦點螺旋波帶片 (MS-SZP) 的光學渦旋發(fā)生器。該元件是 SPP 與 Gabor 波帶片的組合，并通過 OAM 生成單焦點光學渦旋光束。 121]
可以使用單個設備同時生成多個 OAM 光束。Hu 122提出了一種多焦點對數軸錐鏡，與多區(qū)螺旋相位板一起，用于獨立控制多個OAM輸出光束的相位劃分。光學渦旋光束可以作為光通信中的信息載體；由于它們的空間正交性；這些光束可以被復用和解復用。Lightman 13提出了一種渦旋模式分類器，其具有優(yōu)化的輪廓和處理純渦旋光束和混合渦旋光束的元件之間的距離，用于低階 OAM。另一方面，受光纖實驗室概念的啟發(fā)，Xie 123展示了叉型聚合物渦旋光柵的集成，用于在少模光纖的面上進行復用（解）復用。這種 OAM（解）復用器能夠將光纖內不同階的多個 OAM 狀態(tài)直接轉換回輸出面中不同方向的類高斯光束。或者，利用混合微光學元件，通過模場擴展將貝塞爾光束的傳播速度增加五倍。 124]
此外，Sokolovskii 125通過制造具有超聚焦和高 M 2的貝塞爾光束生成軸棱鏡，開發(fā)了解決二極管激光器中出現的光束質量問題的解決方案。這種方法實現了焦點尺寸的數量級減小，并對紅細胞進行了光學捕獲。與此同時，Reddy 126最近提出了一種從單模光纖生成零階和高階貝塞爾光束的統(tǒng)一方法。
5.2 成像系統(tǒng)
由于傳統(tǒng)光學制造方法的限制，笨重光學元件的使用長期以來阻礙了成像系統(tǒng)的小型化和超薄微型內窺鏡的實現。
如前幾節(jié)所述，MPL 可以制造高精度的微米尺寸光學器件；因此，實現用于成像的高性能復雜微光學系統(tǒng)和微透鏡陣列127已成為可能。此外，MPL 前所未有的創(chuàng)建任意形狀的能力為像差校正提供了巨大的潛力。Gissibl 128展示了經過優(yōu)化的單合透鏡、雙合透鏡和三合透鏡，可在設計階段校正單色像差。作者展示了這些直接印刷在 CMOS 傳感器和多芯光學成像光纖面上的多鏡頭物鏡的使用方法。另一方面，衍射和折射元件以及兩種不同光刻膠的組合已被用來校正色差，以實現消色差和復消色差微透鏡。 21]
內窺鏡探頭由一系列具有非球面輪廓的微透鏡組成，可實現高數值孔徑并控制像差，從而實現高空間分辨率 (1 μm)。 129 Wang 130介紹了非球面微透鏡的另一種應用，即在光纖面上制造高數值孔徑單透鏡來收集分析樣品的熒光信號。還提出了非球面微透鏡，用于校正微創(chuàng)GRIN微物鏡的光學像差，獲得擴展的視野并展示其在大腦深部區(qū)域成像中的用途。 131在內窺鏡檢查的另一項應用中，圖6c、d所示的小型相干光束組合器（包括位于超薄多芯光纖尖端的 120 微透鏡陣列）在執(zhí)行雙光子時效率提高了 35 倍成像。 31]
為了應用于光學相干斷層掃描，通過制造包含離軸拋物面 TIR 表面的小型化光學系統(tǒng)來實現光纖探頭。 132最近，Li 133在單模光纖上開發(fā)了新型側面自由形狀微光學器件，從而產生了像差校正光學相干斷層掃描探頭。在這項研究中，這種結構的使用在小鼠胸動脈中得到了證明，其中生物學相關的微觀結構在組織深處 500 μm 處可見。
然而，不同的模式具有相互沖突的光學要求；例如，高靈敏度熒光測量所需的數值孔徑高于光學相干斷層掃描所需的數值孔徑。優(yōu)化的透鏡中透鏡設計包含滿足兩種模式光學設計需求的光學表面，即 TIR 反射鏡和只能通過 MPL 制造的透鏡的組合。 134]
Yanny 135制造了一個相位掩模，該相位掩模由用于單次 3D 熒光顯微鏡的多焦非均勻間隔微透鏡陣列組成。將相位掩模放置在微型寬視場熒光顯微鏡的 GRIN 物鏡的傅里葉平面中，將 3D 熒光強度分布編碼為單個 2D 測量結果。
遮光功能在多元件成像系統(tǒng)中也很重要，因為它們集成了可最大限度提高成像質量的光圈。圖盧茲138提出了一種通過將超精細注射打印集成到光學系統(tǒng)中來創(chuàng)建不透明微光學元件的新方法。然而，用這種方法創(chuàng)建的孔徑光闌不能集成到所有光學系統(tǒng)中，因為它需要足夠的空間來容納墨水模具。
最近，Weber 139提出了一種基于陰影蒸發(fā)來創(chuàng)建薄且完全不透明的孔徑光闌的替代方法，并用它來演示多元件廣角 Hypergon 微物鏡。
最近推出了一種用于可見光的微型直接光譜儀，包括 MPL 制造的成像、衍射和遮光微光學元件，其體積為 100 × 100 × 300 μm 3 。 140該占地面積比目前可用的直接光譜儀至少小兩個數量級。這個微型光學系統(tǒng)展示了 MPL 的優(yōu)勢：創(chuàng)建多個自由曲面的可能性，包括不對稱和高度傾斜的表面、其固有的近乎完美的對準以及光學孔徑的集成。
自由形狀堆疊鏡頭系統(tǒng)和遮光元件的組合也被用來實現超緊湊的多孔徑廣角（180°×360°）相機。 141]
5.3 光學操縱——光鑷
光鑷 (OT) 是一種非接觸式工具，可使用光束捕獲和操縱微粒。 142實施 OT 通常需要特殊的光場，由單個高 NA 光束或低 NA 反向傳播光束組成，這些光束是通過復雜而龐大的設置創(chuàng)建的。事實證明，MPL 制造是一種在微尺度上創(chuàng)建復雜光場的強大方法，可以實現這些光學裝置的小型化。Liberale 77使用 MPL 在四光纖束上制造了一組微棱鏡，其中纖芯按照環(huán)形幾何形狀分布。輸出光束通過 TIR 偏轉，以高 NA 匯聚在公共點，從而創(chuàng)建基于光纖的 3D 光陷阱。該系統(tǒng)被集成到微流體系統(tǒng)中，用于穩(wěn)定捕獲腫瘤細胞，同時記錄它們的拉曼特征。
最近，Plidschun 143提出了一種高 NA 元透鏡，可以緊密聚焦來自單模光纖的擴展高斯光束，并證明了微珠和細菌的有效 3D 捕獲。
在另一種基于光纖的方法中，Asadollahbaik 137在一對光纖的面上使用 MPL 制造的衍射菲涅爾透鏡來創(chuàng)建如圖6g、h所示的反向傳播光束光陷阱。會聚光束在軸向和橫向上產生了很強的捕獲效率，允許在低激光功率下穩(wěn)定捕獲小至 500 nm 的顆粒。使用這種雙光纖配置，同一研究小組研究了捕獲的光致發(fā)光納米棒144的發(fā)射和單個藻類細胞的活力。 145]
Yu還提出了一種小型化片上雙光束捕獲配置。 79他們的方法基于光波導端面上自由形狀微光學器件的 MPL 制造，旨在捕獲和操縱集成芯片級平臺中的懸浮顆粒。
5.4 Optical Sensing 5.4 光學傳感
專為傳感應用而設計的罕見微光學元件利用 MPL 工藝的靈活性在光纖端面和多個設備中實施。與不同光學器件集成的微腔已在光纖上實現，用于光纖傳感實驗室實驗室應用。例如，法布里-珀羅光學諧振器的架構被用于傳感應用，因為它允許形成一個捕獲氣體的小空腔。該腔體檢測n或吸收變化，使其可以用作蒸汽傳感器。 146 , 147由于熱膨脹和熱彈性效應，傳感材料的n通過改變背景溫度而變化。它導致平面法布里-珀羅諧振的波長偏移，從而允許其用作熱輻射傳感器。 148正如 Williams 所介紹的，這種與溫度相關的光學響應通過使用反射和曲面得到了改善。 149另一方面，正如 Goraus 報道的那樣，磁場傳感器可以通過將納米鐵顆粒結合到 FP 諧振器來產生。 150一些眾所周知的光學現象，如莫爾圖案，是通過形成類似光柵的可變形且剛性的聚合物結構在微觀尺度上實現的。 151這被證明可用作具有全光學讀數的無源流體微傳感器。
此外，對于各種光纖尖端傳感應用，其他特定的幾何形狀也是可能的。具有高質量因素的回音壁微腔研究揮發(fā)性有機化合物，表現出高靈敏度和快速時間響應。 152隨后，Liu 153提出了在 3D 空間中用于感測有機蒸氣的集成微環(huán)諧振器，由于揮發(fā)性有機化合物和光刻膠之間沒有化學反應，因此表現出令人滿意的可逆性。 153同樣，圖6e、f顯示了光纖錐體上的微環(huán)，這些微環(huán)被用作基于可逆物理吸附效應的乙醇蒸氣傳感器。研究結果支持新型光子平臺表現出獨特的引導性能和模態(tài)交互特征。 136在另一個例子中，Zhang 154介紹了一種帶有中空腔的光流控馬赫-曾德干涉儀。該微系統(tǒng)為分析物的折射率測量提供了一個有前途的平臺。另外，拋物面鏡和表面增強拉曼散射的組合在光纖面上實現為類似雷達的設計傳感器，在可見光譜范圍內的激發(fā)時表現出更高的 SERS 效應。 82此外，光學力傳感器是由力敏感微夾具中的四塊聚合物板制成的。來自光纖的光學力使傳感板發(fā)生位移，并且從不同板反射的光之間的路徑長度差異導致干涉效應，用于預測整體式微夾具的軸向壓縮。155
另一方面，微結構波導空心的限制和擴散能力對于傳感應用很重要。類似PCF的結構被證明可以跟蹤和分析納米級物體在水介質中的個體擴散。這是通過研究粒子的布朗運動來完成的，該運動是通過分析來自核心模式的彈性散射光并使用標準跟蹤算法和具有相當精度的均方位移分析來檢索的。 156另一種可能性是將空心光籠接口光纖集成到傳感應用的片上波導中。該系統(tǒng)的傳感能力通過使用可調諧二極管激光吸收光譜檢查氨來證明。 106
5.4.1 掃描探針顯微鏡
157 歲的Dietrich 展示了 3D 打印微光學器件的潛力，他在四光纖陣列頂部設計了 3D 打印掃描探針顯微鏡。在這項工作中，懸臂的驅動是通過來自第一根光纖的光束使懸臂的一部分光熱膨脹以光學方式執(zhí)行的，并被作為懸臂一部分的兩個 TIR 鏡偏轉。通過懸臂底部的自由曲面鏡和第二根光纖的小面形成的空腔，以干涉方式讀取該位置。近場探頭的光學激發(fā)來自第四根光纖，其光束通過自由形狀金屬鏡聚焦和偏轉。最后，來自金屬尖端的信號被收集到帶有自由形狀微透鏡的第三根光纖中。
Zou 158提出了一種用于微力傳感器的新型光纖尖端聚合物夾束探針。該力傳感探頭表現出高力靈敏度，在直接接觸模式下具有迄今為止報道的最小力檢測極限。
5.5 光通信——光子電路
要充分發(fā)揮集成光子電路的潛力，需要提供 3D 芯片內和芯片間光學互連、平面外元件和采用 2D 光刻技術制造的平面元件之間的輕松耦合，以及光纖和器件之間的高效耦合。片上光子系統(tǒng)等等。
2005年，首次提出將 MPL 制造的懸芯（或獨立式）光波導作為不同光纖之間的互連。159 最近，這種方法被用于所謂的“光子引線鍵合”范例，允許在不同類型的傳統(tǒng)波導(例如光纖和光子芯片14、160-162 )之間以及如圖7a中呈現的示例創(chuàng)建芯片到芯片光學互連。Schumann 100介紹了一種由 MPL 制造的具有 2D 和 3D 元件的混合器件，該器件演示了從平面到 3D 橋波導和回音壁模式諧振器以及基于寬帶模式演化的偏振旋轉器的有效耦合。獨立式MPL制造的單模波導用于獲得平面外耦合器，用于將光耦合進出片上平面波導59、163以及非平面拓撲的波導立交橋。 164 Nocentini 165通過結合使用剛性和可調諧彈性聚合物，引入了對光學元件光譜特性的動態(tài)控制。他們將波導、光柵耦合器和回音壁模式諧振器集成在光子芯片上，該芯片可以通過遠程非侵入性光刺激來驅動和控制。
將光子芯片集成到混合光子器件中需要光學模式輪廓的高精度對準和適應。為了克服這些挑戰(zhàn)，Dietrich 73提出了印刷在光子芯片和光纖面上的自由曲面、TIR 和多透鏡光學器件，減少了無源組裝中的對準公差，并有效適應了不同的光束輪廓。還提出了微透鏡和面外彎曲聚合物波導的集成，以創(chuàng)建低損耗光纖到芯片寬帶和近絕熱耦合器。 166]
或者，使用在光纖頂部制造的類似 PCF 段的光錐來重新調整光纖模式尺寸，以允許不同元件之間的有效直接耦合， 30作為模式擴展錐形波導，以放寬光纖之間的耦合對準公差， 167并最大化芯片連接的耦合效率。 104]
Trappen 75通過提出適合晶圓表面深蝕刻切割溝槽的 MPL 制造的自由形式耦合元件，解決了邊緣耦合光子集成電路的晶圓級探測問題。在這種情況下，耦合元件包括用于將光從面外方向重定向到面內方向的TIR鏡，并且使用非球面透鏡來與波導進行模場匹配。波導面和耦合元件的幾種不同組合證明了器件低耦合損耗的高再現性。3D 打印光纖插座被提議用于即插即用的微光學器件，利用 LDW 制造靈活性并減少對準問題168這已在電信波長中得到驗證，但很可能會擴展到不同的平臺和各種應用程序。
5.6 量子技術
在單量子水平上工作的片上光子電路在未來的量子信息處理中發(fā)揮著重要作用。光子晶體、諧振器和波導等光子元件是組裝量子光子器件所需的基本光子實體。Schell 169用含有包含氮空位中心的納米金剛石的光致抗蝕劑制造了具有互連件和功能元件的組合結構，如圖7b所示的諧振器和發(fā)射器。該設備證明了單光子生成以及隨后通過波導進行收集和路由的主動量子功能。
具有高光子提取效率的單光子源是光子量子應用的關鍵構建模塊。自組裝半導體量子點（QD）源引起人們的興趣，因為它們可以產生單光子態(tài)并抑制多光子事件。對于這些光源，需要對其輸出進行寬帶提取和整形，以匹配不同光收集光學器件的接收角。為了應對這些挑戰(zhàn)，Fischbach 170提出了一種量子光源，其寬帶提取效率高達40%，具有出色的單光子純度以及將量子光傳輸到外部光學器件的能力。該器件是通過結合 3D 電子束光刻來實現 QD 微透鏡和 MPL 來制造的，以創(chuàng)建與單光子源集成的優(yōu)化的高數值孔徑微物鏡。
通過在光纖面上制造 TIR 固體浸沒透鏡和耦合透鏡，該方法進一步發(fā)展為單光子源與單模光纖的有效耦合（高達 26%）。 80 , 171]
另一方面，量子發(fā)射器可以直接嵌入 MPL 制造的聚合物波導中。 172 , 173這樣做的優(yōu)點是它簡化了激發(fā)和有效收集單光子的配置。
此外，在“光籠”結構上觀察到電磁感應透明（EIT），證明它是基于蒸汽的光子延遲的多種量子存儲和量子非線性應用的基礎。 174]
5.7 機器學習
機器學習在不同光學應用中的使用催生了用于優(yōu)化光學設備的新工具。Goi （175 歲）提出了一種用于多層人工網絡 (ANN) 的納米成像儀，該網絡由無源衍射層形成，這些層協同工作以執(zhí)行手寫數字分類，這是光學領域人工智能的一個演示。此外，Ren 176還實現了多層感知器人工神經網絡 (MANN)，以高效、準確地重建 3D 矢量全息圖像。經過訓練的 MANN 生成了一對相位圖案，用于生成 2D 矢量場和嵌入了數值孔徑為 0.8 的大角度傅里葉變換全息透鏡的數字相位全息圖。由于通過機器學習技術設計微光學元件并通過 MPL 制造，這種方法提供了前所未有的 3D 矢量場波前操縱能力。
如今，對加密信息通信技術的需求不斷增加，這就需要針對特定解密密鑰的嚴格認證方案。在大規(guī)模通信系統(tǒng)中，數據通過光信號傳輸，而解密則在電子域進行。這種解密方法會降低信息轉換的速度。因此，解密應直接在光域進行，以充分利用光信號傳播速度快、信息處理直接的特點。相當多的努力集中在光學安全方案的開發(fā)上，但加密和解密需要多次通過不同的笨重光學元件。作為此限制的替代解決方案，Goi 177提出采用基于誤差反向傳播方法的機器學習來生成集成在互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 芯片上的緊湊型光學解密器。這些單層全息感知器經過訓練，可以對單個或整個類別的圖像進行解密，并在近紅外通信波長下運行。這些元件可以達到每平方厘米超過 5 億個神經元，同時將神經元高度精度控制在 10 nm，這是通過 MPL 制造所允許的。 177同樣，光信號的干擾和不完美的光學元件也會產生像差。光學神經網絡被提出通過直接在光域中檢索相位和光振幅信息來進行像差檢測。圖7c-d顯示了 MPL 打印的多層感知器作為像差檢測器。178
Moughames 179提出光子互連作為復雜的 3D 波導，用于離散空間濾波器作為卷積神經網絡，以實現多個輸入和輸出通道的高效復用。深度神經網絡（DNN）的使用有利于優(yōu)化光學元件的設計。Panusa (2022) 180設計了一種基于使用大型合成數據庫訓練的 DNN 的工具，以根據最高的重建精度來減小矩形階躍折射率光波導的成像束的芯到芯間距。DNN 可以通過消除串擾引起的擾亂并消除數據中的噪聲來提高階躍折射率波導的成像分辨率。該工具建立了一種有效的技術，利用 DNN 不僅用于后處理，而且還可以作為設計工具。
或者，可以利用機器輔助深度學習來優(yōu)化 MPL 性能本身，例如，在監(jiān)控 LDW 過程的同時自動檢測零件質量。光劑量調整可實現高達 95%，響應時間為 ?2 ms。 181隨著技術制造產量的增加，這個問題正在出現，但用戶的經驗和知識相對較低，特別是在引入新材料時。
6 材料和后處理
歷史上，丙烯酸酯7、8和環(huán)氧樹脂44、58基材料首次用于微光學器件的制造，主要是因為它們易于使用且應用簡單。后來，使用了雜化有機-無機聚合物23 、 182 ，它提供了光子學所需的更實用的結構、機械、 n和透明度特性，同時仍然方便加工。最后，針對特定光學應用開發(fā)了一些用于 VIS 光譜的獨特高n （高達 1.62）或高透明度材料。 183聚合物是有用的物質，提供不同單體和無機化合物的混合物，從而可以通過改變它們的比例來改變它們的性能。 6 , 11摻雜有機和無機成分還可以進一步增強其功能，包括光學活性功能。 184 - 187量子點（QD）作為納米級集成的精確結合也已得到成功證明。 171對于微光學，最常用的是負色調抗蝕劑，因為它們用于創(chuàng)建自由形式的復雜幾何形狀；然而，正色調抗蝕劑也可用于凹透鏡以及模板和復制應用。上述針對 MPL 優(yōu)化的許多材料均可在商業(yè)上獲得：Microresits、Microchemicals、FORTH-IESL（非線性光刻組，M. Farsari 博士）、Nanoscribe、Glassomer、UpNano 和 Laser nanoFab。有關材料化學、光聚合過程和印刷物質特性的更多詳細信息，請參閱文獻。6 , 11 , 15 - 17]
6.1 后處理
金屬沉積是使制造的聚合物微結構具有反射性的最直接的方法。這可以通過直接金屬濺射27通過選擇性濕化學188或使用犧牲掩模來非選擇性地執(zhí)行。 189聚合物 3D 微光學器件被證明與原子層沉積 (ALD) 涂層技術兼容，可將其透明度大幅提高高達 99%，這是制造堆疊多層組件的重要突破。 190材料領域的最新進展是稱為混合材料熱解或煅燒的高溫后處理。 191 MPL 制造和開發(fā)后，發(fā)生有機物質蒸發(fā)（C 和 H 轉化為 CO 2和 H 2 O），剩余的無機部分被燒結，同時保持預定的幾何形狀。這是一個改變游戲規(guī)則的選擇，可以實現納米級無機物質的 3D 增材制造， 192包括熔融石英玻璃。 193最近的報告表明，這是生成各種相的純晶體物質194以及生產玻璃狀微光學元件的有效途徑。25由于在煅燒/熱解過程中物質的各向同性收縮，這種方法實現了 100 nm 以下的特征尺寸，從而實現了深亞波長 3D 結構的增材制造。 63 , 194當與無機發(fā)光化合物（例如 Eu）的摻雜相結合時，可以實現光學活性 3D 微器件的自由形式結構。187 , 195]
6.2 復制
納米壓印光刻和軟光刻方法用于提高基于 MPL 的微光學元件的生產率， 196主要用于微透鏡陣列，這些微透鏡陣列使用 LDW 串行寫入制造起來非常耗時，并且使用各種復制可以簡單地進行倍增方法。 127初始模板可以由有機或混合材料制成，并通過聚二甲基硅氧烷模具轉移到幾乎任何光交聯或熱交聯聚合物。 197盡管這種方法在該領域的研究人員中眾所周知，并且對行業(yè)至關重要，但文獻中只有少數專門的研究報告。 127 , 131 , 196 , 197]
6.3 性能表征
MPL 可實現 3D 微光學器件的快速、靈活且可擴展的生產，并且對其精確表征的需求正在穩(wěn)步增長。然而，大多數已建立的表征技術都是針對 2D 表面或龐大的 3D 宏觀物體，這一事實阻礙了這一點。沒有標準方法可以在微觀尺度上正確表征n，因為所有方法在自由形狀的尺度上都有局限性。曝光劑量、顯影過程以及結構的干燥和老化都會影響局部n ，進而調節(jié)功能性 3D 光學元件的有效n 。 62 , 108有人建議采用一些熱（中溫）或高溫后處理解決方案，以使聚合體積內的n均勻，從而使材料“忘記”確切的局部暴露。 25 , 198盡管這些協議有助于提高可重復性，但確切的n和潛在的誘導雙折射（由于收縮而產生的張力）仍然是懸而未決的問題。
對于光致抗蝕劑，影響n的聚合度（交聯）隨著紫外線持續(xù)時間和老化過程而增加。即使在 60 o C 下溫和熱處理 1 小時也足以顯著提高折射率。 183]
6.4 光學彈性——激光誘導損傷閾值
激光誘導損傷閾值 (LIDT) 通常用于評估光學元件的光學彈性。薄膜、龐大的 3D 微結構和 3D 納米晶格對于相同材料來說，由于其表面、幾何形狀和表面積與體積之比的顯著不同，可能具有顯著不同的光學損傷閾值。研究比較了可通過 MPL 結構化為薄膜的各種材料， 199以及光引發(fā)劑存在的影響，200 微透鏡損傷的觀察， 201大塊 3D 微結構和 3D 晶格納米結構的測量， 202并批準新型高回彈材料。 203然而，這仍然是一個不斷發(fā)展的研究軌跡，由對校準和測試的微型光學設備的需求驅動。
微光學結構的性能和物理特性主要取決于材料特性和制造時采用的 MPL 技術。事先了解不同光聚合物在 MPL 曝光下的折射率，可以更好地控制光學元件所需性能的設計，以及對結構透明度的影響。同樣，了解制造元件的損傷閾值和機械性能對于特定應用也很重要。最后，提出了在微光學元件中使用有源和可調諧材料來實現新穎的光學應用。
表2列出了先前討論的屬性的報告值。
7 總結與結論
自 25 年前出現以來，微光學領域一直在迅速擴展，MPL 作為快速原型設計工具的貢獻加速了這一領域的發(fā)展。隨著專用商業(yè) LDW 設置的出現，微光學迅速擴大規(guī)模，并且它仍然是設計、創(chuàng)造和測試新型材料的最通用的技術。它也是用于 3D 微光學復雜自由形狀幾何形狀的獨特工具。與電子束光刻或噴墨打印機相比，MPL 可確保更高的吞吐量和更廣泛的體系結構，尤其是光子集成電路。有源光學化合物、高n和高彈性物質的最新進展使得增材制造能夠與當前現有平臺兼容的重型微型設備成為可能。通過先進的并行化和光束整形技術，正在推動擴大吞吐量以滿足工業(yè)需求。結合復制和后處理解決方案，MPL 不僅提供聚合物微光學元件，還提供玻璃和光學活性元件。微型 3D 光學元件的表征方法和新標準將在不久的將來成為技術研究的活躍領域，這將極大地促進激光光刻制造的微型光學元件和組裝元件的廣泛使用?？傊?，微光學領域目前似乎是 MPL 作為成熟的增材制造技術的直接工業(yè)應用領域。
