光学器件制造由于材料加工难、精度要求高等特点，成为制造领域的难题。例如，红外制导窗增透是高速导弹的关键技术，一体化微纳结构无需镀膜，既保证可靠性，又有效实现增透，是高速导弹速度提升的关键制造瓶颈。红外制导窗增透存在共性挑战：难加工材料（硫化锌、蓝宝石、金刚石等）、大面积（数百平方厘米）、高一致性、三维曲面微纳结构，难于通过光刻、压印、反应离子刻蚀等加工。中南大学研究团队和吉林大学研究团队合作，采用超快激光直写在蓝宝石材料表面加工了大面积、高一致性的倒金字塔形微结构和孔阵列（周期2 μm、直径1 μm，高度1 μm），透过率达92%~95%；在0~70°的入射范围，表面均保持高透过率（图6.8（a））；同时，应用超快激光脉冲整形电子动态调控加工新方法，在硫化锌表面加工大面积（φ100 mm）孔阵列红外增透微结构（周期~3.6 μm、直径~3.3 μm，深度~0.8 μm），透过率超过85%（如图6.8（b））[163]。
图6.8 难加工材料增透结构制造
（a）蓝宝石材料；（b）硫化锌材料(https://www.xing528.com)
非球面微透镜也是一种重要的光学器件，在航空、航天等领域有着重要应用。但由于其具有三维复杂难加工曲面，且精度要求高，因此成为光学器件制造的一大难题。吉林大学研究团队针对非球面微光学元件制造难题，提出了使用飞秒激光微纳加工技术加工曲面微透镜及阵列的新方法，为高精度、可重复、高效率激光微纳加工奠定了理论基础与技术支撑，为航空、航天和激光技术等领域亟需的非球面微光学元件制造提供了一种新的思路。该技术为有机电致发光、太阳能电池、高性能光纤传感、微流与光流检测、无膜增透红外制导等基础研究与国防应用前沿领域面临的共性微光学问题提供了新颖解决方案[164-167]。基于上述新方法与新技术，实现了以整形微透镜为代表的系列高性能微光学元件，如波带片、非球面折射透镜、折衍混合、可调谐透镜等（图6.9）。此外，针对半导体二极管激光器光束整形这一难题，利用飞秒激光加工制备了用于垂直腔面发射激光器的集成非球面微透镜，将输出激光发散角由18.16°减小到0.86°。针对边发射半导体二极管激光器，制备了非对称多阶波带片和非对阵双曲面透镜，实现了从快轴60°、慢轴9°到6.9 mrad 和32.3 mrad的理想整形效果，并实现了与光纤的耦合，效率高于80%。
图6.9 高数值孔径六角密堆积微透镜阵列的飞秒激光加工
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