ニアパーフェクトな回折光学素子ナノスケール3Dプリンティングに向けて

Towards Near-Perfect Diffractive Optical Elements Nanoscale 3D Printing.

• Hao Wang
• Hongtao Wang
• Wang Zhang
• Joel K W Yang

抄録

回折光学素子(DOE)は、波面整形により遠方領域に所望の光パターンを生成するためのコンパクトなソリューションとして広く応用されています。DOEは、反射光や透過光の位相を制御するために、高さの異なる微細な構造体で構成されています。しかし、DOEのために構造体の様々な厚さを達成するための従来の方法は、複数の整列されたリソグラフィステップを必要とし、それぞれがエッチングプロセスの後に続いている面倒なものである。さらに、フォトマスクへの依存は、複雑で多機能な表面プロファイルを製造する際の迅速なプロトタイピングとカスタマイズを妨げる。これを達成するために、我々は2光子重合リソグラフィー（TPL）に基づくナノスケールの3Dプリントに目を向ける。しかし、TPLシステムは、高さと位置のサブ波長の変化が回折効率の観察可能な損失につながる可能性がある回折成分をパターン化するための精度を欠いています。ここでは、レーザー出力、ビームスキャン速度、ハッチング距離、スライス距離の最適化されたパラメータを用いてDOEの精密な3Dプリントを実現するために、TPLパラメトリックモデルと回避可能なパターニング戦略を一括して採用した。私たちのケーススタディでは、ミリスケールの完全に近いダンマングレーティングを作製し、理論値に近い回折効率、レーザースポットアレイの不均一性を1.4%と低く抑え、ゼロオーダースポットの出力比を0.4%と低く抑えました。TPLに固有のアディティブ・マニュファクチャリングの利点を活用して、3Dプリントされた光学デバイスは、精密な波面整形に応用でき、全光機械学習、バーチャルリアリティ、モーション・センシング、メディカル・イメージングなどの分野で大きな可能性を秘めています。

Diffractive optical elements (DOEs) are widely applied as compact solutions to generate desired optical patterns in the far field by wavefront shaping. They consist of microscopic structures of varying heights to control the phase of either reflected or transmitted light. However, traditional methods to achieve varying thickness of structures for DOEs are tedious, requiring multiple aligned lithographic steps each followed by an etching process. Additionally, the reliance on photomasks precludes rapid prototyping and customization in manufacturing complex and multifunctional surface profiles. To achieve this, we turn to nanoscale 3D printing based on two-photon polymerization lithography (TPL). However, TPL systems lack the precision to pattern diffractive components where sub-wavelength variations in height and position could lead to observable loss in diffraction efficiency. Here, we employed a lumped TPL parametric model and a workaround patterning strategy to achieve precise 3D printing of DOEs using optimized parameters for laser power, beam scan speed, hatching distance, and slicing distance. In our case study, millimeter scale near-perfect Dammann gratings were fabricated with measured diffraction efficiencies near theoretical limits, laser spots array non-uniformity as low as 1.4%, and power ratio of the zero order spot as low as 0.4%. Leveraging on the advantages of additive manufacturing inherent to TPL, the 3D printed optical devices can be applied for precise wavefront shaping, with great potential in all-optical machine learning, virtual reality, motion sensing, and medical imaging.