超薄轻质的激光诱导石墨烯（LIG）衍射光学元件

据麦姆斯咨询报道，近日，由韩国科学技术院（KAIST）、新加坡南洋理工大学（NTU）、松下生产科技亚太（PFSAP）等机构的研究人员组成的团队在Light: Science & Applications期刊上发表了题为“Ultra-thin light-weight laser-induced-graphene (LIG) diffractive optics”的论文。在这篇综述论文中，研究团队介绍了超薄的石墨烯光学元件设计和制造方面的最新研究进展，这将开辟紧凑和轻质光学元器件的新市场：下一代内窥镜脑成像、太空互联网、实时表面轮廓测量和多功能移动设备。

为了以合理的投资成本提供更高的设计灵活性、更低的工艺复杂性和无化学工艺，激光诱导石墨烯（LIG）的直接激光写入（DLW）正被积极应用于平面衍射透镜（PDL）的图案化。为了在DLW中实现最佳的光学性能，研究人员对不同激光参数下的光子与材料的相互作用进行了详细研究；并在幅值和相位方面对所得到的光学特性进行了评估。利用不同的基材，一系列示例性的激光写入1D和2D PDL结构已被演示，然后，这些示例被扩展到等离子体和全息结构。这些超薄和轻质PDL与传统的块体折射或反射光学元件的组合可以将每个光学元件的优点结合在一起。通过综合这些研究进展，科研人员提出了在未来的微电子表面检测、生物医学、外太空和扩展现实（XR）行业中实现混合PDL的建议。

考虑到大规模生产的工业需求，PDL的DLW可以被认为是实现混合光学的潜在替代技术，如图1a、1b所示。PDL包括1D/2D衍射光学、菲涅尔波带片（FZP）、光子筛和超构表面（metasurfaces），如图1b所示。在柔性或可拉伸衬底上直接激光写入PDL的保形层可以直接附着在任意光学表面上。这种组合可以使每个光学元件都发挥积极的关键优势；它可以进一步提供全新的、前所未有的功能。新型2D材料，如石墨烯、二硫化钼（MoS2）和MXene等被认为是基础光学材料；这些材料可以为未来的电活性动自适应光学提供新的光学磁导率和介电常数以及电学特性。超薄石墨烯光学器件将开辟紧凑和轻质光学元器件的新市场，如图1c所示。

图1 平面衍射透镜（PDL）的直接激光写入（DLW）

平面衍射透镜：图案化技术

图案化方法分为光刻法或直写法；大多数PDL是通过光刻技术制造的。尽管高分辨率是光刻技术的关键优势，但该技术通常也存在成本高、设计灵活性低、需要预先设计掩模以及缺乏工艺稳定性等一些缺点。

直接激光写入是一种具有高设计灵活性的图案化技术，可以在没有预先准备掩模或有毒化学蚀刻工艺的情况下创建任意图案。DLW系统示例如图2a所示。激光器是激光加工的核心部分，是整个DLW系统的能量源。波长、峰值功率和脉冲宽度是激光器的关键因素；在DLW系统中，选择反射镜涂层和透镜材料时必须考虑激光波长和光学器件的损伤阈值。其它的光束控制参数包括光束大小、扫描速度、焦距和扫描次数，这些参数可以在DLW系统的控制单元中设置，该控制单元由中央处理单元（CPU）、激光控制器和运动控制器组成。

图2 PDL的DLW系统示意图

石墨烯、还原氧化石墨烯和激光诱导石墨烯

石墨烯是碳的同素异形体，其中六个碳原子在单层中形成单体蜂窝单元晶格结构，如图3a所示。由于其独特的结构，石墨烯具有独特的电学、化学、光学和机械性能；它具有较大的理论比表面积（2630 m²/g）、高杨氏模量（~1.0 TPa）、非常高的载流子迁移率（200000 cm²/V/s），高透光率（波长550 nm时约97.7% nm）和高导热性（约5000 W/m/K）。由于这些优异的材料性能以及生物相容性，它们已被广泛应用于电子学、传感器、执行器、光子学、光电子器件、机械复合材料和生物医学器件等各种应用。

图3 石墨烯的结构和合成方法

研究人员介绍了石墨烯相关的光学基材：石墨烯、还原氧化石墨烯（rGO）和激光诱导石墨烯（LIG），详细分析了这些材料的化学特性、电学特性、力学特性和光学特性，并讨论了光-材料在不同关键激光参数下的相互作用，以实现最佳的PDL性能。

基于石墨烯的超薄平面光学：设计和图案化

图案化PDL的光学性能通过比较设计、仿真和实验性能来进行表征。表征从最简单的1D/2D光栅和菲涅尔波带片（FZP）开始；然后，将其扩展转移到凸折射透镜的FZP阵列，进一步到等离子体和全息样本。尽管这一系列的示例还不能轻易地实现混合光学，但接下来的努力将在不久的将来使混合PDL取得成功。

图4 1D GO/rGO FZP的光学表征

图5 基于LIG的1D衍射光栅

超薄LIG平面衍射透镜：代表性应用

研究人员介绍了石墨烯基PDL在内窥镜生物成像、轻质太空光学、快速表面轮廓测量和扩展现实行业的复杂功能混合光学等方面的应用前景，并对后续研究工作提出展望，以推进超薄轻质PDL的大批量生产。

图6 将柔性PDL转移到刚性折射光学元件上实现混合光学元件

图7 微型光学相干断层扫描（OCT）应用的紧凑PDL

综上所述，研究人员介绍了由激光诱导石墨烯（LIG）通过直接激光写入（DLW）图案化而成的超薄、紧凑、轻质平面衍射透镜（PDL）的技术趋势和最新研究工作，这些PDL具有高设计灵活性和高适形性（柔性和可拉伸性）。利用DLW图案化的LIG PDL可以实现新型的混合光学元件；折射、反射和衍射光学的关键优势可以集成到混合光学元件中，以实现未来的内窥镜脑成像、高速空间互联网、工业高速表面轮廓测量和多功能移动设备。多功能非对称PDL阵列也将在工业领域中开辟新的市场机会。为了在短时间内赋予这些新的可能性，深入了解基础材料（如石墨烯、MoS2、MXene）、柔性/可拉伸衬底（如PDMS、ecoflex）和光-材料相互作用是先决条件。此外，详细的参数研究、多物理场模拟、化学表征、分子模拟和跨学科讨论也应该伴随着进行。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01143-0