封面呈現了基于空間光調制器的全息光場調控技術與飛秒激光加工技術的結合方案。飛秒激光雙光子聚合技術能夠以亞微米精度直接打印出復雜構型的三維微納結構，然而傳統雙光子聚合技術采用逐點掃描的加工策略，加工速度低，難以實現三維微結構的高效制備。將全息光場調控技術與飛秒激光加工技術相結合，可以實現多功能微納米器件的高效加工。該技術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能夠以亞微米精度直接打印出具有復雜構型的三維微納結構，然而傳統雙光子聚合技術采用逐點掃描的加工策略，加工速度低，難以實現三維微結構的高效制備。空間光調制器（SLM）是一種調制光波波前的衍射光學器件。SLM面板上的液晶分子可以在電壓作用下發(fā)生定向排列，當光束照射在SLM面板上時，可以通過改變入射光束光程差，實現光束的波前調制。通過在SLM上加載預先設計的計算全息圖，研究學者得以實現復雜的二維/三維空間光場生成與調控。

中國科學技術大學微納米工程實驗室激光加工團隊將基于SLM的全息光場調控技術與飛秒激光加工技術相結合，利用液晶空間光調制器將高斯分布的飛秒激光調制成多焦點陣列、貝塞爾光、渦旋光和艾里光等結構光場，用于多功能微納米器件的高效加工。該技術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上極大地提高飛秒激光的加工效率。

2、光場調制方法

在SLM上加載不同的計算全息圖可以實現不同形貌的光場調制。對于任意目標光場，需要通過全息算法得到透射率函數，并將其轉化為SLM上加載的計算全息圖，當前主要的計算方法為迭代算法和結構光場兩種。

（1）迭代算法

迭代算法是全息技術發(fā)展的產物，而且隨著計算機技術和性能的不斷發(fā)展，借助計算機進行全息圖的設計大大豐富了迭代光場的應用領域。常用的迭代算法包括GS算法、優(yōu)旋轉角算法、模擬退火算法、楊-顧算法等。

基于迭代算法，國內外研究學者開發(fā)了豐富的光束調制算法，將入射高斯分布的飛秒激光調制成多焦點陣列、面光場、體光場等圖案化光場，實現三維結構的快速加工。本課題組利用多焦點并行技術制備了微透鏡陣列并用于成像測試，并利用多焦點直寫制備了光子晶體結構。研究人員將焦點調制成圖案化光場，以面曝光的方式實現微結構的高效加工，利用GS算法實現了圖案化微結構的快速加工，并使用多重曝光和MARF算法等方案，進一步提高圖案化光場的光束質量并降低光場噪聲。為了進一步提高加工效率，可以將光束進一步調制成具有三維光強分布的體光場，北京大學Dong Yang等人基于楊-顧算法研究了高數值孔徑下的三維光場生成，通過單次曝光或者單向掃描的方式實現了三維微結構的快速制備。

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

（2）結構光場

結構光場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。根據描述光場結構的數學函數來區(qū)分，結構光場可以分為Bessel光束、Vortex光束、Airy光束、Mathieu光束等。

不同的結構光束具有其獨特的性質，基于各種結構光束的獨特特性，研究人員將其分別應用于各種不同形狀和特性的微納結構加工。Bessel光束具有無衍射和自愈合特性，在傳播過程中光強分布保持不變，高階Bessel光束在光強上表現為一系列的同心圓環(huán)，環(huán)的能量隨著環(huán)數的增加而降低可以快速制備圓環(huán)形微柱結構。Airy光束具有自加速性質，在三維自由空間中能夠沿曲線進行傳播，因此可以應用于彎曲微柱或微爪結構的快速制造。Mathieu光束同樣具有無衍射和自愈合的特性，研究學者通過調控Mathieu光束的參數生成圓形點陣光場分布應用于微籠狀結構的快速制造。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的形式表達，因此可以應用于手性微結構的快速加工。

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

3、干涉全息光場

光束干涉可以形成復雜的干涉條紋，研究團隊采用飛秒激光干涉光場實現大面積衍射光柵微結構的雙光子聚合加工。由于干涉圖案對兩束光的相位差很敏感，對光路的機械穩(wěn)定性要求較高，所以需要精密且穩(wěn)定的光路結構，在實際應用中存在一定的困難。

干涉全息加工的概念是：使用計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上加載對應的計算全息圖，實現對入射光束的干涉和調控。使用這種方法，研究者們僅需使用SLM便可實現干涉光束的可控調制，簡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構光束進行干涉實現復雜光場形狀的調控，將多束貝塞爾光束進行同軸或離軸疊加，破壞貝塞爾光束的環(huán)形分布，在焦平面附近產生環(huán)形多焦點，實現螺旋結構或帶縫微管的靈活制造。將多束渦旋光束進行同軸或離軸疊加，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，實現微螺旋結構的高效制備。

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

4、總結

在過去十幾年里，基于空間光調制器的飛秒激光雙光子加工技術有了巨大的進展和突破，在微光學、微流控、細胞學、超材料加工等領域中發(fā)揮了重要作用。但在某些方面還可以有進一步的提高：

1）需要進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合，實現微納結構功能性的進一步豐富。

2）為了滿足實際應用，SLM輔助的TPP加工效率仍需要進一步提升。

3）高質量三維光場迭代生成算法仍需進一步研究。

4）新型結構光場的生成與調控方法有待進一步研究。

參考文獻： 中國光學期刊網

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