基于双光子聚合3D打印技术的结构色研究进展

首先简述了双光子聚合3D打印技术的原理及特点；然后介绍了3D打印的衍射光栅、光子晶体、仿生结构及单个微纳结构等代表性结构色方案，并重点回顾了立体、动态结构色信息的呈现方式及其在光学防伪、信息存储和光学传感等领域中的应用；最后总结了双光子聚合3D打印技术的研究现状及存在的问题，并对其未来的研究方向及应用前景进行了展望。     

光聚合微纳3D打印技术的发展现状与趋势

光聚合微纳3D打印作为一种微纳尺度的增材制造技术,在高精度、复杂三维微纳结构的制造方面具有显著优势,已被广泛应用于微机电系统、微纳光子器件、微流体器件、生物工程领域。本文首先介绍了光聚合微纳3D打印技术的光物理/光化学原理,重点对所涉及的各种类型的打印工艺及其应用领域进行综述;然后讨论了一些前沿性的微纳3D打印方法,通过回顾和比较这些最新的技术,阐明了打印分辨率与打印效率之间的关系,以及串行扫描、并行扫描、面投影和体投影的打印模式对微纳3D打印性能的影响;最后对微纳3D打印技术进行全面总结与概述,并对其未来的发展趋势和应用前景予以展望。     

基于湿度刺激响应水凝胶的飞秒激光四维打印研究

开发了一种具备湿度刺激响应的复合水凝胶前驱体,并利用飞秒激光双光子聚合技术,对该智能响应水凝胶材料进行三维微纳成形制造。系统研究了激光功率和直写速度对该水凝胶材料成形中的线宽、墙高、溶胀度以及机械模量的影响规律,进一步通过对双层结构的有限元仿真和直写结构的设计,实现了三维微纳结构在外界环境刺激下的可控形变。理论计算和实验结果表明,激光功率和直写速度能实现对智能水凝胶材料三维成形和结构性能的精确调制,实现了双层水凝胶微结构的自主可编程形状转换,推动了微纳软体机器人和精细组织工程的发展。     

金刚石减反射微纳结构制备技术研究进展

高透过率的窗口材料是光电系统高精度和稳定性的重要保障。金刚石材料集优良的光学特性以及高热导率、低热膨胀系数等特性于一身，是性能优异的宽波段窗口材料。但金刚石在可见光及红外波段的高折射率限制了它的进一步应用，构筑减反射微纳结构抑制金刚石表面反射损耗是较为有效的方法之一。本文综述了近年来金刚石减反射微纳结构的研究进展，着重介绍了微纳结构的减反射机理以及激光加工和离子刻蚀两类加工方式的基本原理及工艺条件，总结了两种方式制备的表面微纳结构对金刚石透过率的影响，对比了各类制备技术的优缺点，并简单介绍了金刚石的应用前景，旨在为相关领域的研究人员提供技术参考。     

飞秒激光诱导医用金属材料表面功能微纳结构的研究进展

随着社会发展和医疗健康事业的进步,医用金属植入物等医疗器械在临床应用中出现的细菌感染、生物相容性不佳等瓶颈亟待解决。近年来,飞秒激光以其加工精度高、适用材料广、热效应低、灵活可靠等优势,成为医用材料表面改性备受关注的新技术。本文针对体液光谱检测、植入物表面细胞行为调控、口腔抗菌这三个具体临床应用场景,简述了制备表面微纳复合结构实现生物功能的基本原理,以及多功能微纳复合结构的制备原理,梳理了飞秒激光诱导微纳结构的应用进展及研究现状,以期为相关研究人员提供线索和依据。     

飞秒激光制备仿生功能微纳结构及其应用

自然界中的微纳结构蕴藏着无尽的功能,为材料科学和工程技术的创新与发展带来了新的机遇。受生物体功能表面的启发,针对仿生表面开发出大量新功能,如结构色、超疏水、自清洁、光学性能调控等。飞秒激光制造是一种可以在微米和纳米尺度上精确控制材料结构的加工方式。通过调控飞秒激光加工参数,可以在多种材料体系中实现超越衍射极限的三维加工。飞秒激光直写加工技术的独特之处在于可以实现材料的跨尺度修饰,通过模拟优化,制备更加复杂的微纳结构。综述了利用飞秒激光技术制备仿生功能微纳结构的新进展,展示了该结构在结构色、表面浸润性、光学性能调控等方面的性能。讨论了飞秒激光制备仿生功能表面的应用前景。最后举例说明了激光微纳制造复杂高分辨率结构的新应用。     

激光微纳连接技术研究进展

激光微纳连接技术是实现微纳米结构、电子元器件批量化生产的基础,是微纳制造领域的关键技术.在简要介绍微纳连接技术的应用需求和主要技术方法的基础上,重点对微纳尺度的激光连接技术进行了分析和论述.首先介绍了激光连接技术的尺寸范围,然后根据其工艺特性的不同选取三种典型的激光微纳连接技术,即激光微焊接,微纳尺度的激光软钎焊和激光...     

激光辅助三维金属微打印（特邀）

当前微纳尺度的三维金属结构,由于其独特的物化性能和空间构型优势,在科学与工程领域的应用需求日益增多。由此应运而生的各种三维金属微尺度打印技术近年来相继被开发,并引起了广泛关注。在众多技术中,基于激光的三维微打印技术有着非接触加工、制造灵活性好等优势。文中综述了当前一些代表性的激光辅助三维金属微打印技术,总结了各种三维金属微打印的基本原理、技术优势及典型应用。针对高表面光滑度、高熔点、高电导率的三维金属微打印存在的挑战,介绍了超快激光制备玻璃微通道模具法辅助实现三维金属微制造的新技术。最后就三维金属微打印的未来方向和应用前景进行了探讨。     

PDMS微流控芯片中的微通道加工技术

传统加工方法制作PDMS微流控芯片中的微通道存在诸多限制,特别是难以实现复杂三维微通道的加工。首先介绍了微通道的传统加工方法,接着简要介绍了不同3D打印技术的基本原理,最后重点阐述了3D打印技术在PDMS微流控芯片微通道加工中的应用。未来,微流控芯片中微通道的加工将会向着高通量、低成本、高精度、三维化、集成化、微型化的方向发展。3D打印、以纳米压印为主要代表的微纳制造技术与传统微通道成型技术的不断融合,为研究人员提供了更多的思路,必将成为微通道加工中的重要技术手段,推动微流控芯片在生物医学、检验检疫、分析化学等领域更广泛的应用。     

激光微纳制造在传感领域中的应用

物联网和可穿戴器件的快速发展对传感器的制备和性能提出了更高的要求。由于加工速度快、精度高、可控性强、易集成、与材料兼容性高等优点,激光微纳制造已逐渐成为一种流行的材料制备和器件加工技术。通过激光诱导加热、反应和分离这三种激光加工方式实现了对不同材料的激光处理,这为传感器的制备奠定了基础。近年来,研究人员利用激光微纳加工技术制备了应用于紫外线、气体、湿度、温度、应变/应力、生物、环境等信号监测的不同传感器。总结和归纳了目前存在的问题,展望了激光微纳制造在传感领域中的发展方向。希望文中对激光微纳制造应用于传感领域的介绍和总结能够为未来的研究和发展提供思路和参考。     

二维金纳米阵列制备及其光学响应

有序贵金属纳米结构由于其本身所特有的光学响应及灵活调控能力,在微纳光电子材料与器件研究领域得到了广泛应用。在众多相关研究中,如何实现金（Au）纳米周期结构的大面积快速制备是人们关心的重要问题之一。采用纳米球自组装刻蚀方法,在大孔周期结构模板内部成功制备了新型二维Au纳米阵列,并有效避免了杂散Au纳米颗粒的产生。通过进一步的工艺优化和参量控制,实现了Au纳米颗粒尺寸的灵活调控,并探讨了其结构形成的物理机理。光学测试研究结果揭示了二维Au纳米阵列的表面等离子体吸收与散射响应,并证明其在近红外飞秒脉冲激励下具有显著的双光子吸收（饱和）效应。该研究结果在太阳能电池,光开关及材料微纳制备等领域具有潜在应用。     

光学微纳结构红外隐身技术研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

随着红外探测技术手段的多样化发展,红外隐身技术的需求日益迫切。由于传统的红外隐身技术面临着多途径目标探测和多功能兼容的严峻挑战,因此研究光学微纳结构红外隐身技术有着十分重要的意义。基于局域共振机制的亚波长尺度的光学微纳结构,极大地丰富了人们对光的传输行为的调控。在红外隐身技术领域,光学微纳结构可以针对红外辐射特性进行材料和结构的精细化设计,从而满足理想红外隐身发射光谱的需求,为发展更加多光谱、多功能、自适应的红外隐身技术提供全新的解决方案。文中围绕红外隐身技术的相关研究,首先介绍了多层薄膜吸收体、金属表面等离子激元、基于相变材料薄膜可调吸收体、智能化设计光学微纳结构实现光谱响应的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来基于光学微纳结构的红外隐身技术新特点,包括多光谱红外隐身技术、多功能红外隐身技术、自适应红外隐身技术的发展现状。最后,梳理了光学微纳结构红外隐身技术所存在的不足及面临的困难并对未来的研究方向和发展趋势进行了展望。     

非线性激光制造的进展与应用（特邀）

超快激光是指脉冲宽度极窄的激光,其瞬时功率极高,与物质之间的相互作用呈现出非线性、非平衡、多尺度的状态。超快激光具有超快（脉冲持续时间短）、超强（瞬时功率高）、超精细（加工结构精细）等特点,由此实现的非线性激光制造技术可以打破传统微纳制造的局限,实现各类难加工材料和复杂微纳结构的超精细制造,精度可达亚微米至纳米量级,在微光学、生物医学、智能电子器件等前沿领域体现出了独特的应用价值。文中主要聚焦飞秒激光微纳加工技术前沿,简要概括了飞秒激光加工的特点;介绍了飞秒激光加工的主要技术手段,包括飞秒激光直写和飞秒激光并行加工;讨论了飞秒激光加工技术的前沿应用领域,如微纳光学器件、微流体器件、多功能结构化表面、生物医学工程等;最后,对飞秒激光加工制造技术未来的发展趋势和研究方向进行展望。     

基于微纳器件的全光图像处理技术及应用

纳米技术的飞速发展促进了微纳结构的加工制造、科学研究及工业应用。而微纳结构的光学特性是近年来光学领域的研究热点之一,其带动了纳米光子学、表面等离激元光学、超表面/超材料光学、拓扑光子学、非厄米光学等新兴学科的发展,为实现光的高精度、全方位操控奠定了重要技术基础。文中主要针对全光图像处理中的边缘检测技术,系统地梳理了微纳光学结构和器件在实现光计算（如微分、卷积等）时涉及的基础、原理、技术和应用,并展望了其在超快图像处理、高对比度显微成像、卷积神经网络和智能光学系统等领域的应用研究。     

人工微结构太赫兹传感器的研究进展

近年来,太赫兹技术得到迅速发展,在通信、反恐、检测和医药等领域展现了广泛的应用潜力。尤其是许多生物分子和材料在太赫兹波段存在特征的吸收光谱,而且太赫兹波能量低损伤小等特点,使得太赫兹生化传感器越来越受到关注。然而,由于太赫兹波的波长较长与生物分子等的尺寸差别非常大,导致相互作用比较弱,从而限制了太赫兹传感器的性能。通过微纳电磁结构对光场空间分布和频率分布的调控,增强太赫兹波传感器的灵敏度是当前的研究热点。文中将重点介绍各种微纳结构太赫兹传感技术的原理和研究现状,并通过梳理其发展趋势和当前的性能制约因素,讨论此方向将来的发展方向和应用前景。     

微纳结构增强型红外探测器研究进展（特邀）

红外探测器在军事侦查、遥感、通信、精确制导和航空航天等领域发挥着关键作用,受到世界各国长期关注,具有重要的研究价值和应用前景。微纳结构与传统半导体探测器集成后能够有效提高光子耦合效率和等效光程,突破传统体材料的吸收极限,提高光电器件的量子效率并降低器件的暗电流,为高性能红外探测器的研究提供了全新的技术手段。文中围绕近年来各种不同类型的微纳结构增强型红外探测器的研究展开综述。首先,介绍了微纳结构增强型红外探测器的基本原理,根据微纳结构的材料和功能不同,进行了分类和对比;其次,分别从介质型、表面金属型和三维等离子腔型等方面对微纳结构在红外探测器上的研究进展进行了阐述;最后,对基于微纳结构增强型红外探器的发展趋势进行了总结和展望。     

基于可编辑颜色和形状记忆液晶网络的信息存储材料

近年来，液晶网络材料因为在人工肌肉、软体机器人、微流控制器和4D打印材料等智能软器件领域的应用受到了越来越多的关注。液晶网络材料在化学结构上同时包含聚合物交联网络和液晶基元，在性能上同时具有聚合物的可加工性、化学稳定性和力学特性以及液晶可调的各向异性，因此具有外观易编辑、功能可调、对多种刺激都能响应等优点。利用这些特点，可以将指定的形状或颜色信息精确地写入到材料中，同时在特定外界刺激（光，热，电场，溶剂等）下使信息再次显现，实现信息的存储、加密与读取。本文简要论述了具有可编辑颜色（包括结构色和荧光颜色）和形状记忆的液晶网络材料的信息存储方式，重点介绍了液晶网络材料在伪装、多级信息存储与信息传递等方面的应用研究进展。     

超快激光制备金属表面可控微纳二级结构及其功能化

自然界中存在大量具有特殊微纳结构的多尺度表面,如荷叶、水稻叶、玫瑰花瓣、壁虎脚趾、鲨鱼皮、蝴蝶翅膀、昆虫复眼等,这些表面具有超疏水、超亲水、结构色、高敏感性、生物相容性等多种神奇功能。如何人工制备出仿生微纳米结构,从而实现师法自然和超越自然的目标,是材料与制造领域的重大课题之一。超快激光加工是灵活制备微纳米结构的可靠手段,但衍射极限制约了其纳米结构制备能力,且制备效率低下。本团队在过去的10多年中,在拓展超快激光微米与纳米结构制备能力以及仿生微纳结构的功能化方面开展了系统研究,发展了一系列超快激光微纳结构制备与双级精确调控新方法,探索了超快激光制备的微纳结构表面在超疏水、高抗反射、高敏感性和生物医学检测等领域的创新应用。超快激光制备形态多样的微纳米结构并实现仿生功能化是一个富有吸引力的研究方向,但仍然面临着诸如突破衍射极限以实现1～100 nm典型纳米结构的制备、功能化微纳结构的设计与制备以及大面积微纳结构的高效制备等挑战。本文为《清华大学建校110周年之光耀清华》专辑而撰写,旨在总结过去、面向未来,与本领域同仁一起交流探讨,共同推进本研究领域的发展。     

近晶相液晶超结构的多元外场调控

利用液晶的自组装和刺激响应特性,实现近晶相液晶多层级超结构的灵活构筑、动态操控和多功能应用对于激发更多前沿的创新性功能器件并推动液晶超结构的实用化进程具有重要意义。本文从近晶相液晶超结构的生长制备、多元外界刺激对缺陷结构的调制方法和动态调控规律等方面进行系统研究。首先,探究了图案化取向场和旋涂条件对近晶相液晶拓扑超结构的形态与大小的操控;然后,验证了焦锥畴超结构的微透镜成像功能,并通过材料复合优化和引入聚合物稳定策略,实现了正方焦锥畴阵列在35℃下（向列相）的电刺激动态调控性能;最后,研究了手性、光场和热场对双相态液晶超结构带来的多维度调控。本研究充分利用光取向场、聚合物网络、电场、手性、光场等多元外场刺激,实现了对近晶相液晶多层级超结构的多维度调控。     

微纳结构非线性光学及其全光调控研究进展

随着微纳光子学的提出与发展,在纳米尺度上操纵和控制光子,发展体积更小、速度更快的光子器件,实现全光集成,已成为国际研究前沿和新技术领域竞争的热点。其中以光子晶体、表面等离激元微纳结构为代表的微纳光子学研究及应用在国际上得到了广泛的重视和蓬勃发展,特别是其微纳结构的非线性光学、全光调控与器件的应用研究。本文主要综述了微纳结构增强的光学非线性及其非线性全光调控研究进展。