據麥姆斯咨詢報道，近日，由韓國科學技術院（KAIST）、新加坡南洋理工大學（NTU）、松下生產科技亞太（PFSAP）等機構的研究人員組成的團隊在Light: Science & Applications期刊上發表了題為“Ultra-thin light-weight laser-induced-graphene (LIG) diffractive optics”的論文。在這篇綜述論文中，研究團隊介紹了超薄的石墨烯光學元件設計和制造方面的最新研究進展，這將開辟緊湊和輕質光學元器件的新市場：下一代內窺鏡腦成像、太空互聯網、實時表面輪廓測量和多功能移動設備。

為了以合理的投資成本提供更高的設計靈活性、更低的工藝復雜性和無化學工藝，激光誘導石墨烯（LIG）的直接激光寫入（DLW）正被積極應用于平面衍射透鏡（PDL）的圖案化。為了在DLW中實現最佳的光學性能，研究人員對不同激光參數下的光子與材料的相互作用進行了詳細研究；并在幅值和相位方面對所得到的光學特性進行了評估。利用不同的基材，一系列示例性的激光寫入1D和2D PDL結構已被演示，然后，這些示例被擴展到等離子體和全息結構。這些超薄和輕質PDL與傳統的塊體折射或反射光學元件的組合可以將每個光學元件的優點結合在一起。通過綜合這些研究進展，科研人員提出了在未來的微電子表面檢測、生物醫學、外太空和擴展現實（XR）行業中實現混合PDL的建議。

考慮到大規模生產的工業需求，PDL的DLW可以被認為是實現混合光學的潛在替代技術，如圖1a、1b所示。PDL包括1D/2D衍射光學、菲涅爾波帶片（FZP）、光子篩和超構表面（metasurfaces），如圖1b所示。在柔性或可拉伸襯底上直接激光寫入PDL的保形層可以直接附著在任意光學表面上。這種組合可以使每個光學元件都發揮積極的關鍵優勢；它可以進一步提供全新的、前所未有的功能。新型2D材料，如石墨烯、二硫化鉬（MoS2）和MXene等被認為是基礎光學材料；這些材料可以為未來的電活性動自適應光學提供新的光學磁導率和介電常數以及電學特性。超薄石墨烯光學器件將開辟緊湊和輕質光學元器件的新市場，如圖1c所示。

圖1 平面衍射透鏡（PDL）的直接激光寫入（DLW）

平面衍射透鏡：圖案化技術

圖案化方法分為光刻法或直寫法；大多數PDL是通過光刻技術制造的。盡管高分辨率是光刻技術的關鍵優勢，但該技術通常也存在成本高、設計靈活性低、需要預先設計掩模以及缺乏工藝穩定性等一些缺點。

直接激光寫入是一種具有高設計靈活性的圖案化技術，可以在沒有預先準備掩模或有毒化學蝕刻工藝的情況下創建任意圖案。DLW系統示例如圖2a所示。激光器是激光加工的核心部分，是整個DLW系統的能量源。波長、峰值功率和脈沖寬度是激光器的關鍵因素；在DLW系統中，選擇反射鏡涂層和透鏡材料時必須考慮激光波長和光學器件的損傷閾值。其它的光束控制參數包括光束大小、掃描速度、焦距和掃描次數，這些參數可以在DLW系統的控制單元中設置，該控制單元由中央處理單元（CPU）、激光控制器和運動控制器組成。

圖2 PDL的DLW系統示意圖

石墨烯、還原氧化石墨烯和激光誘導石墨烯

石墨烯是碳的同素異形體，其中六個碳原子在單層中形成單體蜂窩單元晶格結構，如圖3a所示。由于其獨特的結構，石墨烯具有獨特的電學、化學、光學和機械性能；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550 nm時約97.7%?nm）和高導熱性（約5000?W/m/K）。由于這些優異的材料性能以及生物相容性，它們已被廣泛應用于電子學、傳感器、執行器、光子學、光電子器件、機械復合材料和生物醫學器件等各種應用。

圖3 石墨烯的結構和合成方法

研究人員介紹了石墨烯相關的光學基材：石墨烯、還原氧化石墨烯（rGO）和激光誘導石墨烯（LIG），詳細分析了這些材料的化學特性、電學特性、力學特性和光學特性，并討論了光-材料在不同關鍵激光參數下的相互作用，以實現最佳的PDL性能。

基于石墨烯的超薄平面光學：設計和圖案化

圖案化PDL的光學性能通過比較設計、仿真和實驗性能來進行表征。表征從最簡單的1D/2D光柵和菲涅爾波帶片（FZP）開始；然后，將其擴展轉移到凸折射透鏡的FZP陣列，進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現混合光學，但接下來的努力將在不久的將來使混合PDL取得成功。

圖4 1D GO/rGO FZP的光學表征

圖5 基于LIG的1D衍射光柵

超薄LIG平面衍射透鏡：代表性應用

研究人員介紹了石墨烯基PDL在內窺鏡生物成像、輕質太空光學、快速表面輪廓測量和擴展現實行業的復雜功能混合光學等方面的應用前景，并對后續研究工作提出展望，以推進超薄輕質PDL的大批量生產。

圖6 將柔性PDL轉移到剛性折射光學元件上實現混合光學元件

圖7 微型光學相干斷層掃描（OCT）應用的緊湊PDL

綜上所述，研究人員介紹了由激光誘導石墨烯（LIG）通過直接激光寫入（DLW）圖案化而成的超薄、緊湊、輕質平面衍射透鏡（PDL）的技術趨勢和最新研究工作，這些PDL具有高設計靈活性和高適形性（柔性和可拉伸性）。利用DLW圖案化的LIG PDL可以實現新型的混合光學元件；折射、反射和衍射光學的關鍵優勢可以集成到混合光學元件中，以實現未來的內窺鏡腦成像、高速空間互聯網、工業高速表面輪廓測量和多功能移動設備。多功能非對稱PDL陣列也將在工業領域中開辟新的市場機會。為了在短時間內賦予這些新的可能性，深入了解基礎材料（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，詳細的參數研究、多物理場模擬、化學表征、分子模擬和跨學科討論也應該伴隨著進行。

審核編輯：劉清