高性能人工复眼的激光微纳加工基础研究

果蝇等昆虫的复眼视野大、易于对运动物体定位和跟踪，激发了人们对于多孔径光学的研究以及人工复眼在光学信息处理和红外制导成像等领域的应用。但由于现有微加工技术的局限性，难以制备在光学结构和成像功能上与生物复眼可比拟的人工复眼，成为该领域进展的障碍。本项目在申请者良好先期工作的基础上，提出利用飞秒激光微纳加工可对复杂三维面型进行计算机模拟设计、快速高精度一次成型的特点，制备人工复眼。研究具体采用树脂材料的双光子聚合和石英等透明硬质材料的激光烧蚀两条技术路线，通过"焦点区域弱受限微纳尺度区域内发生的高度非平衡反应"等关键科学问题的研究，减小点元尺寸，实现双光子聚合微纳加工的极限分辨率；探索预补偿、壳层扫描和波前工程等措施克服造型畸变；实现高精度转写模板和可以直接使用的复眼结构，最终实现高性能人工复眼，将无畸变成像视场角从目前报道最好水平的10度提升一个数量级以上，达到120度。

大视场的人工复眼光学系统可以在360°空间内全方位检测目标，在军事等领域有着重要的意义。目前人工复眼的加工方式大多是在平面上排布单个透镜小眼，因为曲面排布，需要非常复杂的透镜拼接，装配制作困难。因此，本项目提出飞秒激光直写加工曲面密堆积人工复眼，以实现大视角无像差成像。.制备人工复眼需仿照生物复眼的结构，在球曲面上100%密排布多个六角透镜，结构复杂。为同时保证光学性能和加工精度，我们研制了面向人工复眼制备的飞秒激光加工软硬件系统：首先采用大的扫描间隔快速加工出半球形底座，大幅度缩短了加工时间又保证其支撑的功能。然后采用小的扫面间隔加工球面上密排布的六角微透镜阵列，微透镜设计成100%密排、非球面形状，提高光利用率和光学性能，保证了实现了复杂三维复眼结构的高表面光滑性；解决了加工效率和加工精度兼顾的问题。通过理论模拟也现，单个的微透镜在30度、45度倾斜入射下，聚焦性能明显下降，发生大的扭曲，而复眼由于独特的结构，在各个方向的聚焦性能基本不变。通过我们自行搭建的表征系统可以发现复眼结构的焦点，每个子透镜都具有很好的聚焦功能，曲面上不同倾斜角度的子透镜都能对入射光产生了聚焦的效果。同样，复眼结构每个子透镜都有良好的成像功能。这些测试表明, 复眼的视场角可达90度。而普通的单个透镜在倾斜入射的时候，聚焦效果明显变差，焦点呈现一个很长的扫把状，不能很好的聚焦和成像，与用FDTD理论模拟的结果基本一致。定量分析表明，相对于单个透镜，在30度倾斜入射，复眼能减小2倍成像扭曲；在45度倾斜入射，复眼能减小3倍成像扭曲。通过改变人工复眼的高度来调控其视场角发现，高度越高，大球曲率越大，视场角越大。对于视角为30度、60度、90度的人工复眼高度分别为5.3um、10.7um和16.5um。.同时，基于在人工复眼激光加工所得到的相关研究成果，开展了系列拓展研究：利用激光微纳加工在红外窗口表面制备仿生蛾眼结构，使其在不镀膜情况下的透过率从74%增加到90%以上，有效视场角增大到30度；激光加工制备了大面积柔性PDMS超疏水表面，制备了人工仿水稻叶结构，实现了可调控的各项异性滚动，提出并验证了水稻叶表面水滴流动各向异性起源于宏、微、纳三级结构的新机理模型。.综上所述，我们完成了项目预期计划，发表SCI论文5篇。