在激光加工領(lǐng)域，通常將脈沖寬度小于100納秒的激光稱為短脈沖激光，脈沖寬度小于100皮秒的激光稱為超快激光。激光加工過程的首要條件是激光被材料吸收。傳統(tǒng)激光加工利用線性吸收，也就是入射光子能量大于或者等于電子躍遷所需要的能量，激發(fā)一個電子只需要吸收一個光子；而超快激光具有極短的脈沖寬度極高的峰值功率，與物質(zhì)相互作用時呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)，所以超快激光可以把多種非線性過程用于加工，由于利用了非線性效應(yīng)，超快激光加工具有“冷”加工、真三維加工能力、納米精度加工和材料適應(yīng)性廣等特點，是激光微加工水平上的一個飛躍。2001年，日本大阪大學(xué)Kawata和孫洪波等人利用飛秒激光雙光子加工技術(shù)制作了當(dāng)時世界上最小的“納米牛”，預(yù)示著超快激光三維微納加工時代的來臨。2006年以來，吉林大學(xué)孫洪波實驗室通過發(fā)展光場調(diào)控和動態(tài)成型等超快激光微加工新技術(shù)，制備了菲涅耳波帶片、達(dá)曼光柵、非球面微透鏡及陣列和仿生復(fù)眼等高性能微光學(xué)元件，將其應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體激光器光束整形和蛋白質(zhì)生物光子器件等關(guān)鍵領(lǐng)域。

在光學(xué)系統(tǒng)中采用非球面光學(xué)元件，具有球面光學(xué)元件無法比擬的優(yōu)點，如可以校正球差、彗差、像散和畸變；可以使用單一透鏡代替由多個球面鏡組成的透鏡組，減少光能損失，增加作用距離，獲得高質(zhì)量的圖像效果和高品質(zhì)的光學(xué)特性；此外，這種替代還可以大幅度簡化結(jié)構(gòu)，降低光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和重量。然而，非球面光學(xué)元件的加工是國內(nèi)外公認(rèn)的難題。為了解決非球面光學(xué)元件工藝難、成本高的問題，目前研究出的加工方法已經(jīng)有幾十種，從發(fā)展歷史看，大體上是從手工加工方法發(fā)展到軌跡成型的機(jī)械加工方法，再到目前的數(shù)控加工（如金剛石車床的非球面銑磨）。然而由于顯而易見的原因，這些方法難以適用于尺寸極小的微光學(xué)元件制備。

我們利用超快激光微納加工技術(shù)解決了這一難題。超快脈沖激光可以在亞波長至納米的尺度上誘導(dǎo)材料發(fā)生光物理、光化學(xué)變化，而使局部材料特性發(fā)生改變；簡單通過計算機(jī)圖案生成和“焦點”掃描，就可以實現(xiàn)微納器件結(jié)構(gòu)。圖1給出了幾種激光微納加工技術(shù)制備的二元光學(xué)和衍射光學(xué)元件。（a）中給出的菲涅耳波帶片，衍射效率比由其他課題組報道的、使用激光微納加工技術(shù)制備的同類元件的效率高一個數(shù)量級，制備過程中的單階層厚為117納米；（b）為了進(jìn)一步改善上述波帶片的色散特性，我們設(shè)計了分形結(jié)構(gòu)，得到了分形環(huán)波帶片；（c）中給出的是一個代表性的達(dá)曼光柵結(jié)構(gòu)，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算、計算機(jī)CAD設(shè)計，將一束入射光分為2×2、3×3到6×6束能量均一、偏振相同的光束。

圖2為利用超快激光制備的非球面微透鏡及其陣列。（a）給出的旋轉(zhuǎn)橢球形和旋轉(zhuǎn)拋物線形非球面透鏡的側(cè)面掃描電鏡照片。這里特別需要指出的是，實驗得到的透鏡的表面輪廓與理論設(shè)計相比的均方根偏差小于17.3納米；（b）給出的是填充率為100%、數(shù)值孔徑分別為0.28、0.40、0.52的微透鏡陣列的電鏡照片及其對一個字母“F”成像的光學(xué)顯微鏡照片。可以發(fā)現(xiàn)，隨著數(shù)值孔徑的增加，成像分辨率顯著增加。

昆蟲等生物復(fù)眼由成百上千個小眼組成，這些小眼排布在一個大尺寸的半球上，每個小眼對應(yīng)著不同的方向，接收相應(yīng)方向的光信號，從而由大量的小眼組成的復(fù)眼有很大的視場。由于復(fù)眼體積小，同時可以在360°空間內(nèi)全方位檢測目標(biāo)，在軍事等領(lǐng)域有著重要的意義。現(xiàn)有人工復(fù)眼的加工方式大多是在平面上排布單個透鏡小眼，因為曲面排布，需要非常復(fù)雜的透鏡拼接，裝配困難，制造難度大，所以人工復(fù)眼的制作有很多障礙。由前述超快激光加工特點可知，超快激光加工可以實現(xiàn)任意的三維復(fù)雜形貌，能滿足仿生復(fù)眼加工的要求。因此我們用飛秒激光直寫法加工曲面六角100%密堆積的人工復(fù)眼，以提高光搜集能力和光學(xué)性能，實現(xiàn)90^o的大視角，如圖3所示。

作者簡介：
                陳岐岱，吉林大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。2004年獲得中國科學(xué)院物理研究所理學(xué)博士學(xué)位，2005至2006年在日本大阪市里大學(xué)JST博士后項目研究，2006年4月，被吉林大學(xué)作為學(xué)術(shù)骨干引進(jìn)。主要研究成果為：推動了激光微納加工技術(shù)從定性的“形狀制造”走向定量的“器件制備”，開拓了該技術(shù)在微光學(xué)、微電子、微機(jī)械、微流控和仿生微納結(jié)構(gòu)制備等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用途徑。圍繞上述工作共發(fā)表影響因子大于3的學(xué)術(shù)論文120余篇， 12篇論文被Angew. Chem. Int. ED.、Adv. Mater.等刊物選配封面發(fā)表；論文被MRS Bulletin等雜志和網(wǎng)站予以專題評論30余次，被SCI他引1000余次，H因子27。