基于共聚焦轴向聚焦的跨尺度曲面基底飞秒激光加工方法研究

针对跨尺度曲面基底飞秒激光加工中存在的离焦问题，研究人员开发了基于共聚焦轴向聚焦的创新方法。该方法成功在最大倾斜角αmax=22.86°的球面透镜上实现精密加工，并制备出直径D=15mm的菲涅尔波带片，验证了双焦点聚焦成像功能。该技术为航空航天、天文观测等领域的衍射-折射混合光学元件制造提供了新方案。

　　

在现代光学制造领域，飞秒激光加工技术因其超短脉冲特性，已成为制造微光学元件、光学衍射神经网络和数据存储器等精密器件的利器。然而当这项技术遇到曲面基底时，科学家们发现了一个棘手难题——基底的倾斜会导致严重的离焦现象，就像摄影师试图在凹凸不平的镜面上对焦一样困难。现有解决方案如改进型共聚焦技术、基于机器视觉的轴向聚焦方法等，要么在大倾斜角时误差明显，要么仅适用于小角度范围。这种技术瓶颈严重制约了在球面透镜等曲面基底上制造光学元件的精度，而这类元件恰恰是望远镜、显微镜等光学系统的核心组件。

针对这一挑战，国内研究团队创新性地将共聚焦轴向聚焦技术引入飞秒激光加工系统。他们发现，传统方法在曲面加工时就像"盲人摸象"，难以准确定位焦点位置。而共聚焦技术则如同给系统装上了"火眼金睛"，通过532nm连续激光的精确反馈，能实时捕捉基底表面的三维形貌。理论分析显示，该方法在倾斜表面上的共聚焦轴向扫描曲线半高宽(FWHM)几乎不受基底倾斜角影响，这为突破现有技术局限提供了理论支撑。

研究人员构建了包含四大模块的精密加工系统：显微成像模块提供基底形貌观测，飞秒激光加工模块实现微纳尺度结构制备，共聚焦轴向聚焦模块负责实时焦点追踪，三维线性运动模块确保加工精度。关键技术在于通过分光镜(BS)将反射光引导至针孔(Ph)进行空间滤波，再经光电探测器转换为电信号，构建出轴向强度分布曲线。这种设计使得系统能像"蚂蚁啃骨头"般，在曲面上逐点精确定位。

实验验证阶段，团队选择在曲率半径R=103.36mm的球面透镜上"作画"。他们首先成功刻蚀出同心圆结构，证实该方法可处理最大倾斜角α_max=22.86°的曲面。更令人振奋的是，研究人员制备出直径D=15mm的菲涅尔波带片(Fresnel zone plate)，这种衍射-折射混合光学元件展现出卓越的双焦点聚焦能力，实测焦距f_{1_sim}=200mm和f_{2_sim}=100.7mm与设计值高度吻合。就像给普通透镜装上"智能芯片"，这种复合元件同时具备光路调控和像差校正功能。

该研究的核心突破在于：首次将共聚焦轴向聚焦技术与飞秒激光加工深度融合，建立了曲面基底的三维坐标系对齐方法。不同于传统TAG透镜方案可能导致的加工间断问题，新系统实现了连续稳定的曲面加工。通过理论计算和实验验证，研究人员证实当基底倾斜角α=20°时，轴向聚焦误差可控制在±0.5μm以内，这相当于在足球场大小的曲面上将误差控制在头发丝直径范围内。

在应用前景方面，这项技术如同打开了一扇新的大门。它不仅适用于球面透镜，还可拓展至非球面透镜和自由曲面等具有中心旋转对称轴的基底。想象一下，未来天文望远镜的衍射校正透镜可以直接加工在主镜上，VR眼镜的成像系统能做得更轻薄——这正是该技术可能带来的变革。研究人员特别指出，该方法在航空航天领域的光学窗口器件、天文观测的衍射透镜阵列等方面具有独特优势。

作为光学制造领域的重要突破，该研究由Chao Liu、Zhenru Wang等学者合作完成，通讯作者Ruizhe Zhao和Ke-Mi Xu指导完成了系统构建与验证工作。研究获得国家自然科学基金等项目支持，相关成果为发展下一代轻量化、高性能光学系统提供了关键技术支撑。就像精密钟表需要特制工具来制造，这项技术为光学工程师们提供了加工复杂曲面光学元件的"瑞士军刀"，将显著推动衍射-折射混合光学系统的创新发展。