基于溶胶-凝胶法光刻胶的FsLDW微透镜制备与三维形貌表征-电子发烧友网

飞秒激光直写（FsLDW）技术凭借纳米级分辨率、三维结构加工能力成为微透镜制备的核心技术，而溶胶- 凝胶基光刻胶兼具有机材料的设计灵活性与无机材料的高稳定性，是制备高精度微透镜的理想材料。本研究以溶胶 - 凝胶基光刻胶为原料，通过飞秒激光直写技术制备不同曲率半径的微透镜，结合光子湾科技的共聚焦显微镜（LSCM）等多种表征技术，对微透镜的三维形貌进行精准分析，验证制备工艺的成型精度。

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实验材料

实验以正硅酸乙酯（TEOS）和3 - 甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）为硅前驱体，在酸性催化下水解得到二氧化硅溶胶，与交联剂季戊四醇三丙烯酸酯（PE-3A）按 1:2 重量比混合，引入光引发剂二苯基 (2,4,6 - 三甲基苯甲酰基) 氧化膦（TPO）配制溶胶- 凝胶基光刻胶，以乙醇为显影液完成微结构成型。

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微透镜制备

光刻胶材料体系及其飞秒激光直写加工性能。（a）光刻胶各组分化学结构；（b）溶胶、交联剂、引发剂和光刻胶溶液的紫外-可见吸收光谱；（c）飞秒激光直写制备的线结构的 SEM 图像；（d）激光功率对光刻胶线宽的影响。

微透镜制备基于飞秒激光直写系统，采用780 nm 飞秒激光经扩束整形后，由油浸物镜聚焦至光刻胶内部，通过扫描振镜与压电移动台协同控制完成三维逐层扫描，利用双光子聚合反应实现微结构固化。本研究设计制备曲率半径为15 μm、20 μm、25 μm、30 μm的四种微透镜，所有透镜中心厚度统一设定为5 μm，通过精确调控激光功率（18.5~34.3 mW）等工艺参数，实现微透镜的可控加工。

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微透镜形貌表征方法

为全面验证微透镜的成型精度，采用扫描电子显微镜（SEM）、白光干涉三维轮廓仪与共聚焦显微镜（LSCM）开展多维度表征。其中SEM 用于观测微透镜二维表面形貌与边缘清晰度，白光干涉三维轮廓仪实现中心高度、表面曲率的定量测量，而共聚焦显微镜则用于微透镜三维曲面形态的精准重建与轮廓分析，通过分层扫描与三维重构功能，获取微透镜的三维形貌轮廓及剖面特征，直观反映其三维结构的完整性与曲率连续性。

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共聚焦显微镜表征结果与形貌分析

利用共聚焦显微镜和白光干涉三维轮廓仪进行三维形貌表征。（a）R4=30 μm 的透镜在 X 与 Y 方向的二维剖面轮廓图；（b）四种透镜的加工高度及其与设计尺寸的相对误差；（c）R₁=15 μm 的微透镜的共聚焦显微镜三维形貌轮廓图；（d）-（f）微透镜的共聚焦显微镜三维视图；（g）沿（d）图中标记的ⅰ-ⅰ与ⅱ-ⅱ剖面位置所截取的1/4 三维剖面图

以曲率半径15 μm 的微透镜为核心研究对象，共聚焦显微镜的三维形貌表征结果显示，所制备的微透镜呈现出连续且一致的曲面形态，整体结构完整、轮廓清晰，无明显塌陷、裂纹等结构缺陷，证明溶胶- 凝胶基光刻胶在飞秒激光直写过程中具有良好的结构保真度。

对该微透镜沿不同方向进行剖面剖切，得到的1/4 三维剖面图清晰展现了微透镜在 X、Y 方向的曲率过渡特性，曲面无明显畸变，与设计模型的曲面特征高度吻合。结合白光干涉三维轮廓仪测试数据，四种微透镜的中心高度相对误差基本控制在±2%以内，直径加工相对误差约4%，与共聚焦显微镜表征的三维形貌特征相互印证，表明飞秒激光直写技术结合溶胶- 凝胶基光刻胶，可实现微透镜的高精度成型。

综上，本研究以溶胶- 凝胶基光刻胶为原料，通过飞秒激光直写技术成功制备了不同曲率半径的有机- 无机杂化微透镜。以共聚焦显微镜等形貌表征技术结果表明，所制备的微透镜三维曲面连续、结构完整，加工尺寸误差控制在较低水平，充分验证了溶胶- 凝胶基光刻胶与飞秒激光直写技术结合的可行性与高精度，为微纳尺度光学器件的三维形貌表征提供了有效方法。

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光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。