高性能复眼透镜宏微纳跨尺度多级结构可控制造技术研究

To obtain an ideal artificial compound eyes with panoramic field of view and superior weak light detection performance, and solve the problem of fabrication of high quality artificial compound eyes with three-dimension structures, in this project, a novel way "fabricate secondary structures firstly, then fabricate primary structures" is proposed, and the high-efficiency fabrication of ideal artificial compound eyes with nano-micro-macro- hierarchical structures can be achieved by using nanoimprint, laser swelling and replication process with air pressure. In this process, a large number of difficult-to-machine secondary structures are fabricated by planar process, then the planar substrate with secondary structures becomes curved surface by the whole deformation to obtain primary structures. Therefore, this process overcomes the low-efficiency and structural imperfection in traditional fabrication techniques of curved hierarchical structures, can control precisely all levels of structures characteristics of artificial compound eyes, which provides a powerful support for the optimization of high-performance artificial compound eye devices. Research contents in this project include: laser swelling mechanism under the action of flexible constraints, the effect of substrate curved deformation on surface micro-/nano- structure characteristics, as well as the influence of size, shape and distribution of hierarchical structures on the optical property of artificial compound eyes. This project aims to develop a novel nano-micro-macro- hierarchical structures forming method, which can fabricate the high performance artificial compound eyes high-efficiently.

为获得同时具备大视角和弱光探测能力的理想复眼透镜系统，解决高性能复眼透镜三维结构制造的难题，本项目提出采用"先制造次级结构、再形成初级结构"的创新思路，利用纳米压印、激光光致膨胀和气压辅助成形等工艺手段，实现理想复眼"纳米+微米+毫米"三维多级跨尺度结构的高效制造。由于该技术采用平面工艺制造难加工且数目众多的次级结构，再通过结构基体的整体变形实现次级结构的三维曲面化，因此，回避了传统多级结构曲面加工技术存在的效率和结构特征完整性等问题，能够实现复眼透镜各级结构的精确调控，为高性能复眼透镜器件优化提供了制造技术保障。本项目将在柔性约束层作用下激光光致膨胀机理、基材大曲面变形对表面微纳结构形貌的影响规律、复眼透镜多级结构的尺度、形状及分布状态对器件光学性能的影响规律等方面探索基础理论，解决其中涉及的关键科学问题和技术难题，从而为高性能复眼透镜跨尺度三维结构的高效制造发展一种原创性的工艺方法。

研究背景: 随着航空航天、光伏器件和高端微光机电系统不断发展，对微纳光学器件的要求不断提高，这种要求主要包括大视场角成像，具有在恶劣环境工作及弱光采集的能力，亟需设计一种微型光学系统来实现上述功能。然而常规单级微纳米结构由于功能单一，均不能满足上述要求。本项目受启于自然界昆虫复眼结构，在解决微米+纳米量级复眼透镜制造难题的基础上，探索一种具有多级结构微型光学系统制备方法，最终实现宏微纳三级结构耦合，制备了高性能仿生复眼系统。.主要内容：通过纳米压印技术获得了具有减反射性和疏水性的三级纳米结构阵列，并研究了工艺参数对纳米结构的作用规律，探索出最优参数组合；提出利用晶体生长方法制备大面积纳米结构阵列，减小了结构变形引起的功能不均一问题，并探索了纳米结构可见光波段减反性能机理；研究了聚合物的激光光致体积生长特性，提出了约束层辅助的激光光致体积生长技术，该技术利用激光照射聚合物材料产生的光化学过程和光热过程，通过将激光作用过程约束到局部空间内形成规则可控的微结构阵列，并通过控制工艺参数实现大尺度范围微米结构调控；完成阵列化“微米+纳米”两级复眼透镜制造并提出减小纳米结构变形方案；实现复眼透镜制造工艺的优化，并对制备复眼系统利用实验室自行搭建的测试平台完成视场角，成像性及减反性测试；完成平面晶锥及波导光路制造。.关键数据：二级结构表面接触角达到152°；在可见光波段相对减反率达到25%；复眼结构具有良好的聚焦性及成像性，光强分布半高宽达到2 μm；复眼视场角达到120°。.项目的研究成果如下：. 在ACS Nano、Optics & Laser Technology等国际期刊上共发表SCI检索论文16篇；申请发明专利11项；培养博士生6名，硕士生2名。