特拉維夫大學顛覆3D打印光學制造：激光在芯片上“折疊”出高性能三維光學器件

2025年8月31日，南極熊獲悉，特拉維夫大學研究團隊宣稱，成功開發(fā)出一種基于芯片的“光子折紙”技術，能夠將超薄玻璃片精確折疊為微觀三維光子結構。這一創(chuàng)新工藝有望推動數(shù)據(jù)處理、傳感與實驗物理等領域的微型高性能光學器件制造，為3D打印和微光子學開辟全新方向。

△相關研究成果已發(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光學芯片

團隊負責人Tal Carmon教授介紹，現(xiàn)有3D打印技術在制造高精度光學結構時面臨表面粗糙、光學均勻性不足等瓶頸，難以滿足高性能光學元件的需求。受松果鱗片自然彎曲機制的啟發(fā)，研究人員采用激光誘導方法，將超薄二氧化硅玻璃片在芯片上折疊為超光滑、高度透明的三維結構。

△實驗裝置示意圖

目前，研究團隊已制備出創(chuàng)紀錄的3毫米長、厚度僅0.5微米的結構，表面變化小于1納米。他們已成功制造出螺旋線、凹凸鏡等多種復雜微結構，實現(xiàn)了無畸變的高效光線反射。Carmon表示：“光子折紙技術有望像3D打印機之于家居制造一樣，推動微型光學器件的多樣化和定制化生產。潛在應用涵蓋智能手機微變焦鏡頭、高速高效的光基計算組件等前沿領域?！?br />

△論文第一作者Manya Malhotra

光子折紙為3D打印光學器件開辟新路徑

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

隨后，實驗室工程師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，實現(xiàn)了玻璃薄片在不到一毫秒內以2米/秒速度、超過2000米/秒²加速度完成折疊，達到了0.1微弧度的空間精度。

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

團隊還展示了厚度達10微米的玻璃片實現(xiàn)90度折彎及螺旋結構，并受澳大利亞國立大學PK Lam團隊的啟發(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等基礎物理問題。通過圖案化和折疊，研究人員實現(xiàn)了可光學懸浮的三維微結構，以實現(xiàn)光學懸浮。

Carmon教授表示：“高性能3D微光子結構的實現(xiàn)尚屬首次。‘光子折紙’不僅將硅光子學帶入三維空間，也為集成光學器件的高性能化、微型化提供了前所未有的可能?！?br />
南極熊認為，這項技術不僅拓寬了集成光子學的設計自由度，更重新定義了“制造”在微納光學領域的含義——從“打印”走向“折疊”。它提示了一種可能性：未來通過智能設計二維圖案并結合定向折疊，或可實現(xiàn)大規(guī)模、低成本且與CMOS工藝兼容的三維光學器件制造。