封面呈現(xiàn)了基于空間光調(diào)制器的全息光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)與飛秒激光加工技術(shù)的結(jié)合方案。飛秒激光雙光子聚合技術(shù)能夠以亞微米精度直接打印出復(fù)雜構(gòu)型的三維微納結(jié)構(gòu)，然而傳統(tǒng)雙光子聚合技術(shù)采用逐點(diǎn)掃描的加工策略，加工速度低，難以實(shí)現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的高效制備。將全息光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)與飛秒激光加工技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)多功能微納米器件的高效加工。該技術(shù)方案能夠在保留飛秒激光高分辨率和真三維加工能力的基礎(chǔ)上，極大地提高飛秒激光的加工效率。

1、背景介紹

飛秒激光雙光子聚合技術(shù)能夠以亞微米精度直接打印出具有復(fù)雜構(gòu)型的三維微納結(jié)構(gòu)，然而傳統(tǒng)雙光子聚合技術(shù)采用逐點(diǎn)掃描的加工策略，加工速度低，難以實(shí)現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的高效制備。空間光調(diào)制器（SLM）是一種調(diào)制光波波前的衍射光學(xué)器件。SLM面板上的液晶分子可以在電壓作用下發(fā)生定向排列，當(dāng)光束照射在SLM面板上時(shí)，可以通過改變?nèi)肷涔馐獬滩睿瑢?shí)現(xiàn)光束的波前調(diào)制。通過在SLM上加載預(yù)先設(shè)計(jì)的計(jì)算全息圖，研究學(xué)者得以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的二維/三維空間光場(chǎng)生成與調(diào)控。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米工程實(shí)驗(yàn)室激光加工團(tuán)隊(duì)將基于SLM的全息光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)與飛秒激光加工技術(shù)相結(jié)合，利用液晶空間光調(diào)制器將高斯分布的飛秒激光調(diào)制成多焦點(diǎn)陣列、貝塞爾光、渦旋光和艾里光等結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，用于多功能微納米器件的高效加工。該技術(shù)方案能夠在保留飛秒激光高分辨率、真三維加工能力的基礎(chǔ)上極大地提高飛秒激光的加工效率。

2、光場(chǎng)調(diào)制方法

在SLM上加載不同的計(jì)算全息圖可以實(shí)現(xiàn)不同形貌的光場(chǎng)調(diào)制。對(duì)于任意目標(biāo)光場(chǎng)，需要通過全息算法得到透射率函數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為SLM上加載的計(jì)算全息圖，當(dāng)前主要的計(jì)算方法為迭代算法和結(jié)構(gòu)光場(chǎng)兩種。

（1）迭代算法

迭代算法是全息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和性能的不斷發(fā)展，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行全息圖的設(shè)計(jì)大大豐富了迭代光場(chǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。常用的迭代算法包括GS算法、優(yōu)旋轉(zhuǎn)角算法、模擬退火算法、楊-顧算法等。

基于迭代算法，國內(nèi)外研究學(xué)者開發(fā)了豐富的光束調(diào)制算法，將入射高斯分布的飛秒激光調(diào)制成多焦點(diǎn)陣列、面光場(chǎng)、體光場(chǎng)等圖案化光場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的快速加工。本課題組利用多焦點(diǎn)并行技術(shù)制備了微透鏡陣列并用于成像測(cè)試，并利用多焦點(diǎn)直寫制備了光子晶體結(jié)構(gòu)。研究人員將焦點(diǎn)調(diào)制成圖案化光場(chǎng)，以面曝光的方式實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的高效加工，利用GS算法實(shí)現(xiàn)了圖案化微結(jié)構(gòu)的快速加工，并使用多重曝光和MARF算法等方案，進(jìn)一步提高圖案化光場(chǎng)的光束質(zhì)量并降低光場(chǎng)噪聲。為了進(jìn)一步提高加工效率，可以將光束進(jìn)一步調(diào)制成具有三維光強(qiáng)分布的體光場(chǎng)，北京大學(xué)Dong Yang等人基于楊-顧算法研究了高數(shù)值孔徑下的三維光場(chǎng)生成，通過單次曝光或者單向掃描的方式實(shí)現(xiàn)了三維微結(jié)構(gòu)的快速制備。

圖 1 基于迭代算法光場(chǎng)調(diào)制方法高效制備三維微納結(jié)構(gòu)。（a）多焦點(diǎn)陣列并行加工微透鏡陣列；（b）二維面光場(chǎng)單次曝光加工“USTC"字母；（c）三維體光場(chǎng)單次曝光加工“PKU"字母

（2）結(jié)構(gòu)光場(chǎng)

結(jié)構(gòu)光場(chǎng)是一類具有精確解析解的空間光束總稱，其具有空間變化的振幅、相位和偏振態(tài)分布。根據(jù)描述光場(chǎng)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)函數(shù)來區(qū)分，結(jié)構(gòu)光場(chǎng)可以分為Bessel光束、Vortex光束、Airy光束、Mathieu光束等。

不同的結(jié)構(gòu)光束具有其獨(dú)特的性質(zhì)，基于各種結(jié)構(gòu)光束的獨(dú)特特性，研究人員將其分別應(yīng)用于各種不同形狀和特性的微納結(jié)構(gòu)加工。Bessel光束具有無衍射和自愈合特性，在傳播過程中光強(qiáng)分布保持不變，高階Bessel光束在光強(qiáng)上表現(xiàn)為一系列的同心圓環(huán)，環(huán)的能量隨著環(huán)數(shù)的增加而降低可以快速制備圓環(huán)形微柱結(jié)構(gòu)。Airy光束具有自加速性質(zhì)，在三維自由空間中能夠沿曲線進(jìn)行傳播，因此可以應(yīng)用于彎曲微柱或微爪結(jié)構(gòu)的快速制造。Mathieu光束同樣具有無衍射和自愈合的特性，研究學(xué)者通過調(diào)控Mathieu光束的參數(shù)生成圓形點(diǎn)陣光場(chǎng)分布應(yīng)用于微籠狀結(jié)構(gòu)的快速制造。Vortex光束具有螺旋狀相位波前分布，通過光束干涉可以將相位中的螺旋特征以光強(qiáng)的形式表達(dá)，因此可以應(yīng)用于手性微結(jié)構(gòu)的快速加工。

圖2 基于零階Bessel光束單次曝光加工高長徑比微柱系統(tǒng)示意圖及制造微柱SEM圖

3、干涉全息光場(chǎng)

光束干涉可以形成復(fù)雜的干涉條紋，研究團(tuán)隊(duì)采用飛秒激光干涉光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)大面積衍射光柵微結(jié)構(gòu)的雙光子聚合加工。由于干涉圖案對(duì)兩束光的相位差很敏感，對(duì)光路的機(jī)械穩(wěn)定性要求較高，所以需要精密且穩(wěn)定的光路結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的困難。

干涉全息加工的概念是：使用計(jì)算全息圖的方法去模擬兩束或多束光束的干涉過程，并在SLM上加載對(duì)應(yīng)的計(jì)算全息圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的干涉和調(diào)控。使用這種方法，研究者們僅需使用SLM便可實(shí)現(xiàn)干涉光束的可控調(diào)制，簡(jiǎn)化了光路并提升光路的穩(wěn)定性。本課題組研究人員將多種結(jié)構(gòu)光束進(jìn)行干涉實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光場(chǎng)形狀的調(diào)控，將多束貝塞爾光束進(jìn)行同軸或離軸疊加，破壞貝塞爾光束的環(huán)形分布，在焦平面附近產(chǎn)生環(huán)形多焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)或帶縫微管的靈活制造。將多束渦旋光束進(jìn)行同軸或離軸疊加，使光束能量在空間中呈手性螺旋分布，基于干涉渦旋光束的單次曝光，實(shí)現(xiàn)微螺旋結(jié)構(gòu)的高效制備。

圖3（a）空間光調(diào)制器輔助的飛秒激光雙光子加工系統(tǒng)；（b）空間光調(diào)制上的加載相位；（c）離散渦旋光束全息圖及聚焦光斑

4、總結(jié)

在過去十幾年里，基于空間光調(diào)制器的飛秒激光雙光子加工技術(shù)有了巨大的進(jìn)展和突破，在微光學(xué)、微流控、細(xì)胞學(xué)、超材料加工等領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用。但在某些方面還可以有進(jìn)一步的提高：

1）需要進(jìn)一步拓寬適用于飛秒激光雙光子加工的材料范圍，并與其他制造工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)功能性的進(jìn)一步豐富。

2）為了滿足實(shí)際應(yīng)用，SLM輔助的TPP加工效率仍需要進(jìn)一步提升。

3）高質(zhì)量三維光場(chǎng)迭代生成算法仍需進(jìn)一步研究。

4）新型結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的生成與調(diào)控方法有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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