特拉維夫大學(xué)顛覆3D打印光學(xué)制造：激光在芯片上“折疊”出高性能三維光學(xué)器件

2025年8月31日，南極熊獲悉，特拉維夫大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)宣稱，成功開發(fā)出一種基于芯片的“光子折紙”技術(shù)，能夠?qū)⒊〔Ａ_折疊為微觀三維光子結(jié)構(gòu)。這一創(chuàng)新工藝有望推動(dòng)數(shù)據(jù)處理、傳感與實(shí)驗(yàn)物理等領(lǐng)域的微型高性能光學(xué)器件制造，為3D打印和微光子學(xué)開辟全新方向。

△相關(guān)研究成果已發(fā)布在《Optica》期刊上，研究題目為“帶有微諧振器和凹面鏡的 硅芯片上的二氧化硅光子折紙”（傳送門）

激光“折紙”折疊出高性能3D光學(xué)芯片

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Tal Carmon教授介紹，現(xiàn)有3D打印技術(shù)在制造高精度光學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)面臨表面粗糙、光學(xué)均勻性不足等瓶頸，難以滿足高性能光學(xué)元件的需求。受松果鱗片自然彎曲機(jī)制的啟發(fā)，研究人員采用激光誘導(dǎo)方法，將超薄二氧化硅玻璃片在芯片上折疊為超光滑、高度透明的三維結(jié)構(gòu)。

△實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

目前，研究團(tuán)隊(duì)已制備出創(chuàng)紀(jì)錄的3毫米長、厚度僅0.5微米的結(jié)構(gòu)，表面變化小于1納米。他們已成功制造出螺旋線、凹凸鏡等多種復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無畸變的高效光線反射。Carmon表示：“光子折紙技術(shù)有望像3D打印機(jī)之于家居制造一樣，推動(dòng)微型光學(xué)器件的多樣化和定制化生產(chǎn)。潛在應(yīng)用涵蓋智能手機(jī)微變焦鏡頭、高速高效的光基計(jì)算組件等前沿領(lǐng)域?！?br />

△論文第一作者M(jìn)anya Malhotra

光子折紙為3D打印光學(xué)器件開辟新路徑

這一突破源自研究生Manya Malhotra的一次偶然發(fā)現(xiàn)。在一次實(shí)驗(yàn)中，她被要求調(diào)高激光功率以定位玻璃上的隱形光束，但當(dāng)功率增至光束可見時(shí)，玻璃竟意外地折疊了起來。Malhotra由此成為光子折紙領(lǐng)域的先驅(qū)專家。它原理是：激光加熱使玻璃一側(cè)液化，此時(shí)表面張力戰(zhàn)勝了重力，從而將玻璃拉起形成折痕。

隨后，實(shí)驗(yàn)室工程師Ronen Ben Daniel在硅芯片上制備二氧化硅玻璃層，通過蝕刻與二氧化碳激光脈沖協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了玻璃薄片在不到一毫秒內(nèi)以2米/秒速度、超過2000米/秒²加速度完成折疊，達(dá)到了0.1微弧度的空間精度。

△研究人員利用這項(xiàng)新技術(shù)折疊了一根玻璃棒（a），創(chuàng)建了一個(gè)光學(xué)諧振器（b），以實(shí)現(xiàn)螺旋彎曲（c），并制作了一個(gè)帶有拋物面反射器的桌子（中間下排）

團(tuán)隊(duì)還展示了厚度達(dá)10微米的玻璃片實(shí)現(xiàn)90度折彎及螺旋結(jié)構(gòu)，并受澳大利亞國立大學(xué)PK Lam團(tuán)隊(duì)的啟發(fā)，制備了帶有凹腔鏡的微型玻璃“桌子”，用于探索牛頓引力偏差和暗物質(zhì)等基礎(chǔ)物理問題。通過圖案化和折疊，研究人員實(shí)現(xiàn)了可光學(xué)懸浮的三維微結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)懸浮。

Carmon教授表示：“高性能3D微光子結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)尚屬首次?！庾诱奂垺粌H將硅光子學(xué)帶入三維空間，也為集成光學(xué)器件的高性能化、微型化提供了前所未有的可能。”

南極熊認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)不僅拓寬了集成光子學(xué)的設(shè)計(jì)自由度，更重新定義了“制造”在微納光學(xué)領(lǐng)域的含義——從“打印”走向“折疊”。它提示了一種可能性：未來通過智能設(shè)計(jì)二維圖案并結(jié)合定向折疊，或可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本且與CMOS工藝兼容的三維光學(xué)器件制造。