3分钟了解微光学

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微光学的定义

微光学诞生于20世纪90年代，是指具有微米和纳米级微结构的光学元器件及系统的设计、制备和应用的一门学科。

随着半导体行业微细加工技术的发展，通过小型化和在小范围内组合各种功能，产生出许多具有新特性的新应用。这就促使着光学必须小型化，以处理光学、激光等领域的新应用。

除了成像、聚焦等基本光学功能，微光学还可实现折射、反射和衍射功能。微光学可以在晶圆衬底上实现微光学器件制造，不仅可以同时生产数个单透镜，还可以生产具有一维、二维光学整形功能的透镜阵列。

晶圆级微光学制造技术开辟了小型光学和光学系统的全新领域，因其结合了光学和机械特性，从工业市场到消费市场均已广泛应用。

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微光学的应用

微光学在工业上的突破性应用改变了我们的生活、交流和工作方式：

• 用于材料加工处理的半导体抽运固体/光纤激光器

在材料加工领域，如金属零件的加工生产以及要求超高稳定和轻质量车身的汽车行业，大功率的光纤激光器和固体激光器的应用越来越广泛。

利用具有最高光电转化效率的半导体激光器，结合FAC（快轴准直）、SAC（慢轴准直）及BTS（光斑转换）等微光学技术，是生产大功率光纤激光器和半导体泵浦固体激光器的重要组成部分。

• 用于半导体芯片制造的浸入式光刻技术

随着浸入式光刻技术的应用，半导体器件晶体管密度不断增加，所以如今可以看到以一个毫米级的硅片承载着1TB的信息，或者整台电脑被集成在一个芯片上。

微光学为半导体光刻机提供光场匀化器，将用于光刻的准分子激光匀化在硅片上，使得光刻实现高精度和高分辨率。

• 以激光剥离技术实现柔性显示的规模应用

紫外和红外波段线激光改善了高分辨率显示器材料的性能和功能，使用紫外线激光的激光剥离技术实现了柔性显示膜层和剥离基板的无接触光学剥离，这对于常规机械分离来说是不可能的。

在OLED的制程中，基于微光学整形的技术将深紫外激光整形成一条20-30 μm宽，750 mm甚至更长的高能量密度的线光斑，通过扫描实现柔性显示膜层从玻璃基板无接触剥离。

• 激光雷达（LiDAR）与人工智能应用

基于微光学技术和整形激光器的光学感知器件小巧可靠，不但能够确认身份，还能精确测量您的车辆在交通中的位置，把人安全轻松的带到目的地。

根据LiDAR方案的不同，微光学可以通过快轴准直和慢轴准直分别在快慢轴进行准直和压缩，从而提高LiDAR在两个方向的角分辨率；还可以将点光源整形成很宽的线光源，通过扫描就能形成很大的视场角；针对面光源提供diffuser，形成水平方向90度-120度，垂直方向5度- 40度的视场角，实现非常均匀的光斑分布。

在万物互联的大数据时代，所有人机界面都将使用这些光学传感器，帮助您提升工作质量和效率，从而有更多的时间去享受生活。

• 光通讯领域数据传输/存储/分发

DFB激光器和EDFA光放大器是互联网的关键组成部分，通过单根光纤产生和放大数字光信号，每秒传输速度可达1TB。

微光学技术用于通信器件中光的传输如分束器、耦合器及AWG(Arrayed Waveguide Grating)波导型光开关等。

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微光学的优势

以LIMO的微光器件为例，基于晶圆衬底生产技术，柱面透镜能够在X和Y方向光场独立整形，可自由选择光学材料和柱镜曲面。高折射率玻璃材料和非球柱面可用于生成数值孔径接近1的透镜，这一特性是实现单透镜对半导体激光器整形，并形成一个视场角>100°的广角照明场的关键。

同时，独特的生产技术，使微透镜拥有良好的抛光表面，可用于各类高、低功率激光应用。与传统的透镜设计相比，采用非球面的曲面设计，可提供仅用一个或两个光学元件的微光学解决方案，使得复杂光学或者消费类应用光学系统更为简化。

04 微光学元件的制备技

微光学元件的制备技术

随着科技的发展,对微光学元件的加工与应用提出了越来越高的要求,其制作加工已成为阻碍微光学元件快速发展的瓶颈问题，也进而发展了多种微光学元件的制备技术。其中，飞秒激光直写技术作为微光学元件的重要制备方法，具有广泛的应用前景。利用飞秒激光直写技术可以实现常规光学元件微小化，多种材料的飞秒激光直写，并且无需掩模板，具有真三维、设计自由度高、加工精度高等优点。近年来，研究者们已经利用该方法在多种材料上制备出各种类型和功能的微光学元件，主要包括折射型光学元件、衍射型光学元件、波导和光纤光栅、微腔元件等。

折射元件

透镜是一种很重要的折射元件，也是使用范围最广的光学元件。透镜最基本的功能是用来成像，除此之外，还可用于光束准直、光束整形等方面。随着各种仪器设备向微小型化发展，透镜也由宏观走向微观。单个微透镜可以将光信号与光纤耦合，实现功能上的集成，同时也是各种微小设备必不可少的部件。在微透镜的加工方面，传统的加工方式已逐渐不适用。飞秒激光具有超高精度的加工能力，同时可以灵活地进行真三维加工，甚至可以在透明材料的内部直接加工，在微透镜的加工领域越来越常用。研究者们在各种材料、表面和内部进行了探索，实现了多种形式微透镜的加工。

衍射元件

衍射元件中比较常见的是菲涅耳透镜和光栅。菲涅耳透镜是一种非常重要的平面光学元件，和普通透镜不同的是，它是通过衍射来实现光束聚焦和成像功能。传统的光刻工艺对于制作二阶甚至四阶的菲涅耳透镜已经非常成熟，由于加工过程需要掩模板、加工工艺复杂，只适用于大批量的生产。飞秒激光以其高加工精度和加工灵活性，在菲涅耳透镜集成加工方面具有重要应用。

波导和光纤光栅

光波导在光学系统中起着传导光信号的作用，在微光学系统中应用十分广泛。光学信号可以被光波导限制住，并沿特定的路线进行传播。飞秒激光加工灵活，可以加工出任意形状的光波导，特别适合于透明材料内部、现有器件上集成加工等。由于飞秒激光加工非常灵活，除了直写单一的光波导外，更大的优势在于在三维空间加工特殊形状的光波导，实现信号分束等功能。

微腔元件

微腔主要是指尺寸在几微米到几十微米的微型圆盘，它能够使大量光限制在一个很小的空间里，使光与物质相互作用在其中得到极大增强，在非线性光学、光信号处理、传感等领域具有重要应用价值，是现代光学中不可替代的角色。

参考来源：

1.炬光科技

2.曹小文,张雷,于永森,陈岐岱 飞秒激光制备微光学元件及其应用[J]. 中国激光, 2017, 44(1): 102004

文章来源: https://www.toutiao.com/group/6693355099416166925/