摘要：微透镜阵列是许多高端设备的核心器件，在光学成像、数字投影以及光电转换等领域均起着至关重要的作用。其实现功能的关键在于具有能够对入射光线产生聚焦作用的微曲面结构。目前，光刻-热回流是制造微透镜阵列及复刻用模具的典型工艺。其通过光刻过程来得到锯齿状微结构，并进一步
微透镜阵列是许多高端设备的核心器件，在光学成像、数字投影以及光电转换等领域均起着至关重要的作用。其实现功能的关键在于具有能够对入射光线产生聚焦作用的微曲面结构。目前，光刻-热回流是制造微透镜阵列及复刻用模具的典型工艺。其通过光刻过程来得到锯齿状微结构，并进一步加热使聚合物回流成穹顶状，从而实现阵列制造。该过程中，透镜的曲率半径取决于基底浸润性，因而在单一材料体系下难以实现聚焦性能的灵活调节。同时，材料需要具有热回流性能，导致其仅适用于塑性聚合物。针对这一现状，浙江大学赵骞教授团队近期研究发现，动态交联水凝胶表面在单步光照后会自发产生具有一定曲率的微结构，并且曲率半径能够通过光照时间进行灵活调节，可直接用于光学微透镜阵列的柔性制造。
图1. 动态交联水凝胶表面微结构成型机理。
赵骞教授团队长期关注软物质材料微结构的构筑方法及其应用。在此前的工作中，通过光动态高分子网络的设计，利用光照所引起的网络拓扑结构改变，建立了快速、高精度的微加工方法（Sci. Adv. 2021, 7, eabi7360; SmartMat. 2024, 2, e1255）。在此基础上，团队研究发现，当调节凝胶力学性能时，所形成微结构的轮廓将发生相应改变。如图2所示，当交联剂含量降低到4 wt%时，光照后水凝胶表面所形成微结构将由原先的平台状而转变为穹顶状。此时，水凝胶光照后的储能模量下降到5.9 kPa。穹顶状结构的快速原位构筑能够为微透镜阵提供一种高效制造的新方法。然而，目标微结构的形成要求凝胶足够柔软，但后续微透镜加工又需要凝胶足够强韧。
图2. 力学性能对表面微结构成型的影响。（a）不同交联剂含量下形成的表面微结构及其轮廓。（b）不同交联剂含量水凝胶在60 s光照前（实线）与光照后（虚线）的储能模量。
为了解决这一矛盾，团队通过引入Al3+构筑了化学-物理双交联结构，使水凝胶的断裂韧性与强度从4.9 kJ/m33与86.8 kPa，可匹配微透镜的加工过程。需要指出的是，该力学增强过程后于微结构的形成，能够避免对结构的影响。如图3所示，在构筑双交联结构后，表面微结构依然保持穹顶状。利用上述制备的水凝胶作为软模板，通过表面涂覆树脂前驱液，经过简单剥离就可以复刻制造微透镜阵列。由于浸润性差异，剥离能仅为4.30 J/m2，并且微结构复刻一致性高。图3. 水凝胶的力学增强与微透镜制造。（a）双交联网络示意图。（b）不同铝离子浓度处理后水凝胶的力学性能。（c）水凝胶的断裂韧性与断裂强度。（d）双交联结构构筑后水凝胶表面微结构的轮廓变化。（e）所采用的用于微透镜阵列制造的分子。（f）水凝胶模板与复刻得到的微透镜阵列表面微结构的轮廓对比。
所得透镜具有良好的透光性（>90%），且折光指数在1.5左右。在点光源照射下，经过所制造的微透镜阵列，在成像屏上能够形成均匀的光点阵列，显示出良好的光学特性。
图4. 微透镜的光学特性。（a）所制备得到微透镜阵列宏观照片。（b）用于制造透镜阵列材料的透明度与折光指数。（c）在光照下，通过透镜阵列所形成的光点阵列。
进一步，由于水凝胶表面微结构曲率半径能够通过光照时间来进行控制，所建立加工方法能够灵活调节微透镜的曲率，进而调控透镜焦距。如图5所示，利用不同光照时间下生产的水凝胶作为模板能够制造不同形貌的微透镜阵列，并在光学测试系统中呈现出不一样的焦距。此外，不同于典型的光刻-热回流工艺，所建立方法可以通过控制水凝胶不同区域的光照时间，实现曲率的区域化控制，进而能够生产具有差异化焦距的微透镜阵列，大大提升了制造灵活性。
图5. 微透镜性质的灵活调控。（a）利用不同光照时间下制造的水凝胶作为模板所得到的微透镜阵列表面形貌。（b）不同水凝胶模板所得微透镜的焦距测试图。（c）微透镜阵列中透镜焦距的区域化控制。
该工作以“Light-regulated microstructure growth of dynamic hydrogels for flexible manufacturing of microlens arrays”为题发表于美国化学会ACS的化工类旗舰期刊《Chem & Bio Engineering》的“Advanced Functional Hydrogels”专题。陈狄副研究员为论文第一作者，赵骞教授为论文的唯一通讯作者。该工作获得了国家自然科学基金委与中国科协青年人才托举工程的大力支持。
来源：高分子科学前沿一点号1
