中国科大团队突破飞秒激光加工效率瓶颈，实现微纳结构高效制造
中国科大团队突破飞秒激光加工效率瓶颈，实现微纳结构高效制造
中国科学技术大学微纳米工程实验室近期在飞秒激光双光子加工技术领域取得重要进展。研究团队将空间光调制器（SLM）与飞秒激光加工技术结合，开发出一种新型高效微纳结构加工方法。该技术不仅保留了飞秒激光的高分辨率和三维加工能力，还显著提高了加工效率，为微纳制造领域带来了新的突破。
研究背景
飞秒激光双光子聚合技术能够以亚微米精度直接打印出具有复杂构型的三维微纳结构，然而传统双光子聚合技术采用逐点扫描的加工策略，加工速度低，难以实现三维微结构的高效制备。空间光调制器（SLM）是一种调制光波波前的衍射光学器件。SLM面板上的液晶分子可以在电压作用下发生定向排列，当光束照射在SLM面板上时，可以通过改变入射光束光程差，实现光束的波前调制。通过在SLM上加载预先设计的计算全息图，研究学者得以实现复杂的二维/三维空间光场生成与调控。
中国科学技术大学微纳米工程实验室激光加工团队将基于SLM的全息光场调控技术与飞秒激光加工技术相结合，利用液晶空间光调制器将高斯分布的飞秒激光调制成多焦点阵列、贝塞尔光、涡旋光和艾里光等结构光场，用于多功能微纳米器件的高效加工。该技术方案能够在保留飞秒激光高分辨率、真三维加工能力的基础上极大地提高飞秒激光的加工效率。
光场调制方法
在SLM上加载不同的计算全息图可以实现不同形貌的光场调制。对于任意目标光场，需要通过全息算法得到透射率函数，并将其转化为SLM上加载的计算全息图，当前主要的计算方法为迭代算法和结构光场两种。
迭代算法
迭代算法是全息技术发展的产物，而且随着计算机技术和性能的不断发展，借助计算机进行全息图的设计大大丰富了迭代光场的应用领域。常用的迭代算法包括GS算法、最优旋转角算法、模拟退火算法、杨-顾算法等。
基于迭代算法，国内外研究学者开发了丰富的光束调制算法，将入射高斯分布的飞秒激光调制成多焦点阵列、面光场、体光场等图案化光场，实现三维结构的快速加工。本课题组利用多焦点并行技术制备了微透镜阵列并用于成像测试，并利用多焦点直写制备了光子晶体结构。研究人员将焦点调制成图案化光场，以面曝光的方式实现微结构的高效加工，利用GS算法实现了图案化微结构的快速加工，并使用多重曝光和MARF算法等方案，进一步提高图案化光场的光束质量并降低光场噪声。为了进一步提高加工效率，可以将光束进一步调制成具有三维光强分布的体光场，北京大学Dong Yang等人基于杨-顾算法研究了高数值孔径下的三维光场生成，通过单次曝光或者单向扫描的方式实现了三维微结构的快速制备。
图 1 基于迭代算法光场调制方法高效制备三维微纳结构。（a）多焦点阵列并行加工微透镜阵列；（b）二维面光场单次曝光加工“USTC”字母；（c）三维体光场单次曝光加工“PKU”字母
结构光场
结构光场是一类具有精确解析解的空间光束总称，其具有空间变化的振幅、相位和偏振态分布。根据描述光场结构的数学函数来区分，结构光场可以分为Bessel光束、Vortex光束、Airy光束、Mathieu光束等。
不同的结构光束具有其独特的性质，基于各种结构光束的独特特性，研究人员将其分别应用于各种不同形状和特性的微纳结构加工。Bessel光束具有无衍射和自愈合特性，在传播过程中光强分布保持不变，高阶Bessel光束在光强上表现为一系列的同心圆环，环的能量随着环数的增加而降低可以快速制备圆环形微柱结构。Airy光束具有自加速性质，在三维自由空间中能够沿曲线进行传播，因此可以应用于弯曲微柱或微爪结构的快速制造。Mathieu光束同样具有无衍射和自愈合的特性，研究学者通过调控Mathieu光束的参数生成圆形点阵光场分布应用于微笼状结构的快速制造。Vortex光束具有螺旋状相位波前分布，通过光束干涉可以将相位中的螺旋特征以光强的形式表达，因此可以应用于手性微结构的快速加工。
图2 基于零阶Bessel光束单次曝光加工高长径比微柱系统示意图及制造微柱SEM图
干涉全息光场
光束干涉可以形成复杂的干涉条纹，研究团队采用飞秒激光干涉光场实现大面积衍射光栅微结构的双光子聚合加工。由于干涉图案对两束光的相位差很敏感，对光路的机械稳定性要求较高，所以需要精密且稳定的光路结构，在实际应用中存在一定的困难。
干涉全息加工的概念是：使用计算全息图的方法去模拟两束或多束光束的干涉过程，并在SLM上加载对应的计算全息图，实现对入射光束的干涉和调控。使用这种方法，研究者们仅需使用SLM便可实现干涉光束的可控调制，简化了光路并提升光路的稳定性。本课题组研究人员将多种结构光束进行干涉实现复杂光场形状的调控，将多束贝塞尔光束进行同轴或离轴叠加，破坏贝塞尔光束的环形分布，在焦平面附近产生环形多焦点，实现螺旋结构或带缝微管的灵活制造。将多束涡旋光束进行同轴或离轴叠加，使光束能量在空间中呈手性螺旋分布，基于干涉涡旋光束的单次曝光，实现微螺旋结构的高效制备。
图3（a）空间光调制器辅助的飞秒激光双光子加工系统；（b）空间光调制上的加载相位；（c）离散涡旋光束全息图及聚焦光斑
总结与展望
在过去十几年里，基于空间光调制器的飞秒激光双光子加工技术有了巨大的进展和突破，在微光学、微流控、细胞学、超材料加工等领域中发挥了重要作用。但在某些方面还可以有进一步的提高：
- 需要进一步拓宽适用于飞秒激光双光子加工的材料范围，并与其他制造工艺相结合，实现微纳结构功能性的进一步丰富。
- 为了满足实际应用，SLM辅助的TPP加工效率仍需要进一步提升。
- 高质量三维光场迭代生成算法仍需进一步研究。
- 新型结构光场的生成与调控方法有待进一步研究。
实验室简介
中国科学技术大学微纳米工程实验室于1993年由黄文浩教授创立。研究方向涵盖微纳米器件及系统、扫描探针显微镜及其标准化、基于压电陶瓷的微系统设计、制造与测量技术、飞秒激光微纳米制造技术、纳米制造信息平台等。现有教授6名，副教授5名，高级工程师1名。承担重要科研项目包括：科技部重点研发项目、科技部973项目、国家自然科学基金、国家高层次人才项目、中科院仪器项目等。近年来在Nature，Nat. Photonics，Nat. Mater.，Nat. Commun.，Phys. Rev, Lett.,Light: Sci & Appl.,PNAS,Adv. Mater.,ACS Nano.,Laser Photon. Rev.,Lab Chip,Appl. Phys. Lett.,Opt.Lett.等杂志发表相关论文150余篇。