本發(fā)明涉及超快激光微納加工，具體涉及一種基于雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法。在光電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的潛在應(yīng)用，如柔性光電子器件、微納機(jī)器人及其細(xì)胞三維生長特性調(diào)控等。

背景技術(shù)：

1、作為微納增材制造的重要方法之一，飛秒激光雙光子聚合在高分辨率三維復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)制造方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。飛秒激光的脈沖寬度可以達(dá)到幾十到幾百飛秒，超短的脈沖時(shí)間會(huì)從本質(zhì)上改變激光與樣本之間的作用機(jī)制，從而使能量迅速且精準(zhǔn)的作用到材料內(nèi)部。利用飛秒激光的超高峰值功率(1012～1015w/cm2)、極小的熱影響區(qū)域和能量閾值效應(yīng)，基于飛秒激光的雙光子聚合可以在透明材料內(nèi)部制備分辨率小于衍射極限的三維微/納米結(jié)構(gòu)。近年來，飛秒激光雙光子聚合已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于具有復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)的功能器件制備，如軟體機(jī)器人、柔性傳感器、微納光學(xué)器件等。

2、目前，基于飛秒激光雙光子聚合實(shí)現(xiàn)高通量微結(jié)構(gòu)制備主要通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：序列掃描加工模式和光場投影面加工模式。序列掃描加工模式利用一維、二維掃描振鏡實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的逐點(diǎn)掃描加工，可以在保證極高分辨率的同時(shí)較大的提高雙光子聚合加工效率；但是在加工毫米甚至厘米級微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，序列掃描模式往往需要數(shù)十小時(shí)甚至數(shù)天，嚴(yán)重制約了飛秒激光加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。飛秒激光光場投影面加工模式，通常借助數(shù)字微鏡陣列(dmd)和液晶空間光調(diào)制器(lc-slm)進(jìn)行空間光場調(diào)制，通過圖案化聚焦光斑實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的圖案化高效率加工，極大的提高了飛秒激光加工速度。然而，在軸向高度較大的微結(jié)構(gòu)制造應(yīng)用中，基于dmd和lc-slm的面投影加工方法面臨著兩方面的挑戰(zhàn)。一方面，面投影加工模式較多的注重于橫向加工效率提升，缺乏有效的軸向加工效率提升方法。面投影模式需要將三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行層切，通過三維逐層掃描的方法實(shí)現(xiàn)較大高度微結(jié)構(gòu)制造，導(dǎo)致高縱寬比微結(jié)構(gòu)的加工效率較低。另一方面，面投影加工模式實(shí)現(xiàn)軸向光場調(diào)制算法復(fù)雜，且算法優(yōu)劣對加工結(jié)果影響較大。以上因素嚴(yán)重限制了飛秒激光雙光子聚合的應(yīng)用領(lǐng)域及商業(yè)化進(jìn)程。因此，亟需一種簡單、高效的軸向光場調(diào)制方法來實(shí)現(xiàn)雙光子聚合的軸向高效率加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明提供了雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，采用由兩個(gè)孔徑可調(diào)的光闌組成軸向光調(diào)制組件(利用兩個(gè)不同直徑光闌的菲涅爾衍射效應(yīng)共同作用)，對呈高斯分布的原始激光光場進(jìn)行調(diào)制，形成沿軸向分布的高縱寬比聚焦光場，大大提高軸向雙光子聚合體素尺寸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙光子聚合的軸向高效率加工。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，包括如下步驟：

3、s1、搭建基于雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制裝置；所述裝置包括飛秒激光系統(tǒng)、雙光闌調(diào)制組件和顯微聚焦系統(tǒng)；所述飛秒激光系統(tǒng)輸出飛秒激光光束，經(jīng)過所述雙光闌調(diào)制組件調(diào)制光場分布，再經(jīng)過所述顯微聚焦系統(tǒng)聚焦調(diào)制后的光場、調(diào)節(jié)雙光子聚合焦平面；

4、s2、調(diào)節(jié)參數(shù)，計(jì)算經(jīng)雙光闌調(diào)制組件衍射后的光場分布，根據(jù)光傳播路徑推導(dǎo)照射在樣本焦點(diǎn)處的光場分布；

5、s3、改變激光功率調(diào)節(jié)雙光子聚合體素，輸出定制的光斑體素形狀。

6、所述飛秒激光系統(tǒng)為飛秒激光器(1)，用于輸出高斯分布的飛秒激光光束；所述雙光闌調(diào)制組件包括在光路上依次放置的可調(diào)節(jié)光闌ⅰ(2)和可調(diào)節(jié)光闌ⅱ(3)，用于對光場分布進(jìn)行調(diào)制；所述顯微聚焦系統(tǒng)包括依次放置在調(diào)制光場方向的顯微物鏡(5)和樣品平臺(tái)(6)，用于聚焦調(diào)制后的光場和調(diào)節(jié)雙光子聚合焦平面。

7、在所述可調(diào)節(jié)光闌ⅱ(3)和顯微物鏡(5)之間還設(shè)置有二向色鏡(4)，用于改變光路使得裝置結(jié)構(gòu)緊湊。

8、所述調(diào)節(jié)參數(shù)包括：可調(diào)節(jié)光闌ⅰ(2)、可調(diào)節(jié)光闌ⅱ(3)的孔徑、光闌ⅰ(2)和光闌ⅱ(3)的間距及光闌ⅱ(3)與顯微物鏡(5)的間距；通過調(diào)節(jié)光闌ⅰ(2)和光闌ⅱ(3)的通光孔徑實(shí)現(xiàn)不同的光場能量分布，通過調(diào)節(jié)光闌ⅱ(3)的間距及光闌ⅱ(3)與顯微物鏡(5)的間距實(shí)現(xiàn)不同的光場能量分布；通過兩個(gè)光闌直徑及間距的調(diào)節(jié)，形成具有不同縱寬比的聚焦光斑。

9、從飛秒激光系統(tǒng)出射的高斯光束，依次經(jīng)過可調(diào)節(jié)光闌ⅰ(2)和可調(diào)節(jié)光闌ⅱ(3)，分別發(fā)生兩次菲涅爾衍射后，由顯微物鏡進(jìn)行聚焦，形成沿光軸方向的不同的高縱寬比聚焦光斑。

10、所述照射在樣本焦點(diǎn)處的光場分布為：

11、

12、

13、

14、其中，c為一個(gè)常量，為顯微物鏡5入瞳5-1處的光場極坐標(biāo)，經(jīng)雙光闌調(diào)制組件衍射后的光場分布得到，為顯微物鏡5聚焦形成的聚焦波面5-2的光場極坐標(biāo)，為光矢量在xy平面內(nèi)投影與x軸的夾角，θ為光矢量與z軸投影，為顯微物鏡5的數(shù)值孔徑，n為顯微物鏡5與樣本6之間介質(zhì)的折射率。

15、所述改變激光功率調(diào)節(jié)雙光子聚合體素為：將沿光軸方向的高縱寬比聚焦光斑完全浸沒于光刻膠樣本中時(shí)，通過單個(gè)飛秒激光脈沖進(jìn)行雙光子聚合，得到高縱寬比的雙光子聚合體素，體素的高度和直徑會(huì)隨激光功率的增加而增加。

16、按照所述方法定制的光斑體素微柱高度為0～143μm，微柱寬度范圍為1.9～6μm，最高縱寬比為23.8。

17、本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

18、1.本發(fā)明提出一種新的雙光闌高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，采用連續(xù)兩個(gè)可調(diào)光闌，對呈高斯分布的入射飛秒激光光束進(jìn)行兩次菲涅爾衍射光場調(diào)制，使得經(jīng)顯微物鏡聚焦后形成的光斑，具有沿軸向的高縱寬比。該光場調(diào)制方法成本低、易操作，極大簡化了雙光子聚合的光場調(diào)制過程。

19、2.本發(fā)明利用雙光闌調(diào)制形成的高縱寬比聚焦光斑，可實(shí)現(xiàn)軸向超高縱寬比體素的單脈沖聚合。例如，高度一百多微米的微結(jié)構(gòu)，聚合時(shí)間僅需217fs，極大提升了微結(jié)構(gòu)的軸向加工效率。

20、3.本發(fā)明為雙光子聚合軸向高效率加工提供了一種有效的技術(shù)方案，但光場調(diào)制方法并不局限于雙光子聚合。該方法同樣適用于對軸向光場分布有類似要求的光學(xué)成像、光聲成像等領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.基于雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，其特征在于，所述飛秒激光系統(tǒng)為飛秒激光器(1)，用于輸出高斯分布的飛秒激光光束；所述雙光闌調(diào)制組件包括在光路上依次放置的可調(diào)節(jié)光闌ⅰ(2)和可調(diào)節(jié)光闌ⅱ(3)，用于對光場分布進(jìn)行調(diào)制；所述顯微聚焦系統(tǒng)包括依次放置在調(diào)制光場方向的顯微物鏡(5)和樣品平臺(tái)(6)，用于聚焦調(diào)制后的光場和調(diào)節(jié)雙光子聚合焦平面。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，其特征在于，在所述可調(diào)節(jié)光闌ⅱ(3)和顯微物鏡(5)之間還設(shè)置有二向色鏡(4)，用于改變光路使得裝置結(jié)構(gòu)緊湊。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙光闌調(diào)制組件，其特征在于，所述調(diào)節(jié)參數(shù)包括：可調(diào)節(jié)光闌ⅰ(2)、可調(diào)節(jié)光闌ⅱ(3)的孔徑、光闌ⅰ(2)和光闌ⅱ(3)的間距及光闌ⅱ(3)與顯微物鏡(5)的間距；通過調(diào)節(jié)光闌ⅰ(2)和光闌ⅱ(3)的通光孔徑實(shí)現(xiàn)不同的光場能量分布，通過調(diào)節(jié)光闌ⅱ(3)的間距及光闌ⅱ(3)與顯微物鏡(5)的間距實(shí)現(xiàn)不同的光場能量分布；通過兩個(gè)光闌直徑及間距的調(diào)節(jié)，形成具有不同縱寬比的聚焦光斑。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，其特征在于，從飛秒激光系統(tǒng)出射的高斯光束，依次經(jīng)過可調(diào)節(jié)光闌ⅰ(2)和可調(diào)節(jié)光闌ⅱ(3)，分別發(fā)生兩次菲涅爾衍射后，由顯微物鏡進(jìn)行聚焦，形成沿光軸方向的不同的高縱寬比聚焦光斑。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，其特征在于，所述照射在樣本焦點(diǎn)處的光場分布為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，其特征在于，所述改變激光功率調(diào)節(jié)雙光子聚合體素為：將沿光軸方向的高縱寬比聚焦光斑完全浸沒于光刻膠樣本中時(shí)，通過單個(gè)飛秒激光脈沖進(jìn)行雙光子聚合，得到高縱寬比的雙光子聚合體素，體素的高度和直徑會(huì)隨激光功率的增加而增加。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，其特征在于，按照所述方法定制的光斑體素微柱高度為0～143μm，微柱寬度范圍為1.9～6μm，最高縱寬比為23.8。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了雙光闌的高縱寬比聚焦光場調(diào)制方法，屬于飛秒激光微納加工技術(shù)領(lǐng)域。該方法基于兩個(gè)孔徑連續(xù)可調(diào)的光闌組合，實(shí)現(xiàn)對高斯激光光束的光場調(diào)制，通過顯微聚焦物鏡形成沿光軸方向的高縱寬比聚焦光斑，極大的提升了雙光子聚合體素的軸向尺寸，進(jìn)而有效解決當(dāng)前雙光子聚合軸向加工效率低、光場調(diào)制算法復(fù)雜的問題。該方法的硬件實(shí)現(xiàn)需飛秒激光系統(tǒng)、雙光闌組件及其顯微聚焦系統(tǒng)，其中雙光闌組件對光場調(diào)制起決定性作用。通過光闌尺寸和間距的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)不同縱寬比聚焦光場的調(diào)制。本發(fā)明為雙光子聚合軸向高效率加工提供了一種有效的技術(shù)方案，同時(shí)光場調(diào)制方法同樣適用于對軸向光場分布有類似要求的光學(xué)成像、光聲成像等領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：于海波,王曉朵,劉柱,劉連慶
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/19