特拉维夫大学颠覆3D打印光学制造：激光在芯片上“折叠”出高性能三维光学器件

2025年8月31日，南极熊获悉，特拉维夫大学研究团队宣称，成功开发出一种基于芯片的“光子折纸”技术，能够将超薄玻璃片精确折叠为微观三维光子结构。这一创新工艺有望推动数据处理、传感与实验物理等领域的微型高性能光学器件制造，为3D打印和微光子学开辟全新方向。

△相关研究成果已发布在《Optica》期刊上，研究题目为“带有微谐振器和凹面镜的 硅芯片上的二氧化硅光子折纸”（传送门）

激光“折纸”折叠出高性能3D光学芯片

团队负责人Tal Carmon教授介绍，现有3D打印技术在制造高精度光学结构时面临表面粗糙、光学均匀性不足等瓶颈，难以满足高性能光学元件的需求。受松果鳞片自然弯曲机制的启发，研究人员采用激光诱导方法，将超薄二氧化硅玻璃片在芯片上折叠为超光滑、高度透明的三维结构。

△实验装置示意图

目前，研究团队已制备出创纪录的3毫米长、厚度仅0.5微米的结构，表面变化小于1纳米。他们已成功制造出螺旋线、凹凸镜等多种复杂微结构，实现了无畸变的高效光线反射。Carmon表示：“光子折纸技术有望像3D打印机之于家居制造一样，推动微型光学器件的多样化和定制化生产。潜在应用涵盖智能手机微变焦镜头、高速高效的光基计算组件等前沿领域。”

△论文第一作者Manya Malhotra

光子折纸为3D打印光学器件开辟新路径

这一突破源自研究生Manya Malhotra的一次偶然发现。在一次实验中，她被要求调高激光功率以定位玻璃上的隐形光束，但当功率增至光束可见时，玻璃竟意外地折叠了起来。Malhotra由此成为光子折纸领域的先驱专家。它原理是：激光加热使玻璃一侧液化，此时表面张力战胜了重力，从而将玻璃拉起形成折痕。

随后，实验室工程师Ronen Ben Daniel在硅芯片上制备二氧化硅玻璃层，通过蚀刻与二氧化碳激光脉冲协同，实现了玻璃薄片在不到一毫秒内以2米/秒速度、超过2000米/秒²加速度完成折叠，达到了0.1微弧度的空间精度。

△研究人员利用这项新技术折叠了一根玻璃棒（a），创建了一个光学谐振器（b），以实现螺旋弯曲（c），并制作了一个带有抛物面反射器的桌子（中间下排）

团队还展示了厚度达10微米的玻璃片实现90度折弯及螺旋结构，并受澳大利亚国立大学PK Lam团队的启发，制备了带有凹腔镜的微型玻璃“桌子”，用于探索牛顿引力偏差和暗物质等基础物理问题。通过图案化和折叠，研究人员实现了可光学悬浮的三维微结构，以实现光学悬浮。

Carmon教授表示：“高性能3D微光子结构的实现尚属首次。‘光子折纸’不仅将硅光子学带入三维空间，也为集成光学器件的高性能化、微型化提供了前所未有的可能。”

南极熊认为，这项技术不仅拓宽了集成光子学的设计自由度，更重新定义了“制造”在微纳光学领域的含义——从“打印”走向“折叠”。它提示了一种可能性：未来通过智能设计二维图案并结合定向折叠，或可实现大规模、低成本且与CMOS工艺兼容的三维光学器件制造。