四大技术，有助提高飞秒激光双光子聚合加工效率

在众多激光制造技术中，激光双光子聚合技术由于其自身所固有的三维制造功能和亚衍射极限空间分辨率，而被认为是一种非常重要的微纳米制造技术。即液态聚合物材料在极短时间内同时吸收两个激光光子发生光致聚合反应，从而实现微纳米尺度零部件的双光子聚合制造。具有任意复杂结构的真三维直写、无需掩膜、加工分辨率可突破光学衍射极限等优点。

双光子聚合是树脂类或者无机材料在双光子吸收后发生的光聚合反应。不同于单光子吸收，双光子吸收主要发生在激光能量最高的焦点处，而光束通过的其他位置由于光强的不足不能发生双光子吸收效应，如图1所示。因此双光子吸收具有良好的空间选择性。

图1 单光子激发和双光子激发聚合示意图

虽然传统的飞秒激光双光子聚合加工技术已经应用在众多加工领域，主要是通过点的扫描方式来加工，通常加工一个复杂的结构，需要几小时甚至更长的时间。所以，传统的加工方式极大的降低了激光加工的效率，无法满足大面积或批量化的加工需求；况且若完成一些特定的复杂结构还要借助于一些昂贵的装置，如纳米位移台。

另一方面，传统的微加工只需要微焦级别的单脉冲能量，而不少飞秒激光器输出的能量是毫焦级别，加工过程中激光能量衰减，使得能量利用率不足0.1%。所以，提高飞秒激光双光子聚合能量利用率与加工效率，已成为批量化或大面积制备高质量微纳结构器件的目前亟待解决的问题。

目前，提高效率主要采用的方法有：优化扫描策略、采用微透镜或衍射光学元件分束、多光束干涉法、空间光调制器分束多焦点并行加工、基于空间光调制器的全息投影加工技术。

优化扫描策略，是基于软件的控制来改变激光的扫描轨迹，减少加工过程中的空行程和重复行程及开关的开断次数，在一定程度上可以提高加工效率。如通过矢量扫描的方式、优化切片，多路径扫描等，如图2所示。但是这些加工方法是串行的加工方法，加工效率的提高相对有限。

图2 优化切片，多路径扫描加工策略[Laser & Photonics Reviews, 3(1-2):1-11(2009).]

多光束干涉加工，是利用若干束相干激光以一定角度叠加后形成周期性的相干光场进行刻蚀。

多光束干涉加工可一次性曝光，在基板上实现大面积微结构阵列，如图3所示，但光路调整相对比较复杂。此外，对于多光束干涉光路中固定的棱镜或其他光学元件，所产生的干涉光场是固定的，若需要加工另一个微结构，就需要调节光路或更换光学元件，所以多光束干涉法不易灵活调整控制。但利用这种周期性的相关光场更适用于大面积的固定的微结构加工。

图3 双光束干涉加工光路示意图

激光并行加工技术，是利用微透镜阵列或衍射分光元件将一束激光分为多束，如图4所示，使其焦点呈阵列分布，从而同时加工多个微结构。

利用并行加工技术可以有效提高加工速度和加工效率，能够将加工效率提高一个数量级以上，缩短加工时间。利用微透镜(MLA)虽然可以加工出大面积的微结构，但加工的结构相对单一，结构分布形式固定。DOE法能够衍射出较多的光束，但是需要多次替换不同图案的衍射光学元件，缺乏灵活性，所以用微透镜或衍射光学元件分束并行加工的策略更适用于加工某一固定的图案。

图4 微透镜阵列分束与衍射元件分束示意图[Applied Physics Letters, 91(12):124103 - 124105(2007).]

利用空间光调制器，将入射飞秒激光进行分束，如图5所示，并通过透镜或物镜等聚焦光学元件将多束光聚焦到样品上，实现多个焦点同时加工，如图6所示，激光光束的数量和位置可以利用计算机全息图进行灵活控制，实现灵活高效的精密加工。虽然使用空间光调制器时可以灵活改变焦点阵列的排列，但依然无法完全摆脱所有的焦点都沿着相同的扫描路径，所以这种多焦点并行加工技术更适用于间距和周期固定的微结构、加工。

图5 空间光调制器分束示意图[应用光学, V37(2):315-320(2016).]

图6 多焦点（多光束）加工实体图

液晶空间光调制器（SLM） 不仅可将飞秒激光调制成多焦点进行并行加工，也可将飞秒激光调制成空间特定分布的点阵、线形光场、面形光场，实现以点、线、面为基本加工单元的加工。SLM对计算全息进行动态加载，实现光束的动态调控，大大提高了双光子聚焦加工的灵活性。

对于给定的目标图案，通过GSW算法产生计算全息（CGH），在空间光调制器上加载对应目标图案的计算全息图，飞秒激光通过SLM调制后形成面形光场，对于任意图案只需进行单次曝光，而无需进行整个二维图案的扫描，即可完成整个微结构的加工，且可以将多张图形加载到SLM，进行不同类型微结构的连续加工，而无需调节光路参数或替换光学元件，空间光调制器全息图加载示意图，如图7所示。

图7 反射式空间光调制器全息图加载示意图

基于空间光调制器的飞秒激光全息投影加工系统，将光束整形与全息投影技术结合起来，实现了单次曝光加工大面积三维微纳结构，微纳结构加工多样化、加工效率高且加工技术简单，为未来的工业化制造探索了更多的可能。

飞秒激光全息加工光路（如图8所示）由光源、光束传输与控制、光束整形、全息图案加载、实时观测系统与运动控制等部分组成。

图8 飞秒激光全息加工系统光路示意图

在上述加工系统中，飞秒激光能量可以通过半波片和格兰泰勒棱镜组成的脉冲能量控制单元调制，接着光束经过扩束镜扩束，然后激光光束入射到SLM的液晶面上，同时在空间光调制器上加载不同模式对应的相位全息，进而实现飞秒激光双光子聚合的多焦点加工或图形化面加工。

空间光调制器整形后的飞秒激光经反射后，光束经过由透镜1和2组成的4F系统进行准直，负载有微结构图案的光束进入实时观测系统与聚焦光路中，经过物镜聚焦在样品表面与内部，结合精密位移台，实现大面积微纳结构的三维并行加工。

双光子聚合加工技术具有加工精度高（几十纳米量级），加工结构表面质量好，非常适合做三维光学元器件的加工。

图9 飞秒激光加工的微管状阵列[Optics Express, 22(4):3983(2014).]

超快激光三维可设计加工、高精度、高空间分辨率等优点允许微纳米尺度三维智能器件的制备与集成，直接贡献于三维微纳机器人、微齿轮、微叶片等微纳米机械器件的开发，推动了工业领域智能机械器件的发展。

图10 飞秒激光加工的微型涡轮[Lab on A Chip, 10(21):2902-2906(2010).]

在生物医学领域，可用于生物医学器件的加工以及复杂的用于生物组织培养的支架的加工。

图11 飞秒激光加工的微流体通道[Lab on a Chip, 9(16):2391-2394(2009).]

可用于复杂三维光子晶体结构的加工，可用于制备基于三维光子晶体的各种光子学器件，如滤波器、光波导及微激光器等。

图12 飞秒激光加工的光子晶体[AIP Advances, 5(3):928-934(2015). ]

可用于复杂的超材料的加工，使材料具有自然界所不具有的电磁特性或力学特性。

图13 飞秒激光加工的超材料[Nature Communications, 5:4130(2014).]