飞秒激光双光子聚合三维微纳结构加工技术

飞秒激光双光子聚合微纳加工技术作为重要的三维微纳结构制备手段，已成为国际前沿研究热点。该技术利用激光与物质相互作用的双光子非线性吸收效应和阈值效应，可以突破经典光学理论衍射极限，实现纳米尺度的激光加工分辨力，在三维功能性微纳器件制备领域正在发挥着十分重要的作用。本文在介绍飞秒激光双光子聚合三维微纳加工技术的光物理和光化学过程基本原理的基础上，重点回顾人们在改善加工线宽及分辨力、提高加工效率等方面的研究进展与发展概况。该技术所制备的各种微光学器件、集成光学器件、微机电系统以及生物医学器件，不仅充分展示了飞秒激光双光子聚合三维微纳加工技术的高空间分辨力和真三维加工特点，也为其在相关前沿领域的应用提供具有启发性的思路。最后，对该技术实现高精度、高效率、低成本、大面积、多功能的三维微纳结构加工所存在的挑战和未来发展方向，进行了讨论和展望。     

二维和三维微/纳高效精密加工中的纳立体刻印工艺

双光子聚合（TPP）是通过光敏剂中的非线性双光子吸收过程所引发的,其作为一种新工艺,自问世以来,已在二维和三维加工聚合应用领域中得到广泛研究．对于二维纳米图案的加工,纳复制工艺已经演变为体素模板扫描方法．该方法用黑白双色2块图作为设计图案,并转排成体素模板以控制聚焦激光素的开关．复杂的三维微结构也可以采用多重断面分层叠加的方法进行加工,各断面的扫描数据从三维CAD数据中得到．在聚合反应后,没有固化的液态树脂,其采用在树脂上浇注类似于酒精之类溶剂的方法去除,从而显露出聚合的微结构．在前期的工作中,已经成功地加工出了高空间分辨力的三维微光学器件,分辨力约为100nm．微机械器件和光子晶体等的近期研究工作提高了其TPP的效率和精度．介绍了近来开发的基于TPP的一些微加工工艺．     

基于飞秒激光打印的二氧化钒光谱动态调控结构

具有动态调控能力的微纳光学器件是近年来微纳光子学领域的研究热点，二氧化钒(VO₂)作为一种常见的功能性可调谐材料，其相变前后晶态的转变导致材料本身电磁参数的变化，可用于实现对光谱的动态调控。本文利用VO₂的相变特性和光敏树脂单体的光聚合特性，通过在甲基丙烯酸酯单体中掺入VO₂纳米晶，制备出了有效折射率可变的光敏型聚合物纳米复合材料。在此基础上，结合飞秒激光加工技术，开发出了具有相变调控特性的高精度二维、三维微纳光学结构的一次加工成型技术。测试结果表明，该方法所研制出的微纳光学结构，在外界温度达到相变临界温度时，结构中VO₂纳米晶发生热致相变，导致结构整体的有效折射率发生变化，实现了对短波段光谱的动态调控。     

飞秒激光加工微纳光学器件

光学器件正在向着小型化、集成化以及柔性可变形等方向发展，基于集成微纳光学器件的光学系统以其较低的功耗、快速的响应时间以及高信息容量等优势脱颖而出。然而目前的高精度微纳加工手段如聚焦离子束(focused ion beam,FIB)刻蚀、半导体光刻等工艺复杂，且缺乏灵活性。飞秒激光作为一种非接触、高精度、高脉冲强度的“冷”加工工具在微纳加工方面受到格外青睐。本文首先阐述了飞秒激光加工微纳光学器件的背景及相关机理，然后讨论了提高飞秒激光加工分辨率的各种方法，接着综述了基于飞秒激光的多种先进加工手段，其后总结了近年来飞秒激光加工微透镜、光栅、光波导以及光子晶体方面的代表性研究进展。最后，本文概括了飞秒激光加工微纳光学器件研究领域所面临的挑战以及未来发展方向。     

理化所三维金属纳米结构飞秒激光加工获重要进展

中科院理化技术研究所段宣明团队、日本理化学研究所河田聪团队通过合作,近日在利用飞秒激光多光子纳米加工技术进行三维微纳结构制备的研究中获得重要进展,成功突破了光学衍射极限,实现了纳米尺度的三维金属纳米结构加工.     

基于飞秒激光的高速双光子刻写技术

基于飞秒激光的双光子聚合(two-photon polymerization,TPP)加工技术一直是三维微纳加工技术中的研究热点。随着生命科学、材料工程、微纳光学等领域对复杂、大面积微型三维器件制备需求的提升，TPP加工效率不足的问题日益严重，加工时间过长不仅造成加工结构的不稳定，更是严重阻碍这些重要三维器件的进一步推广应用。本文以TPP加工效率提升方面的研究工作为主线，分别从单光束刻写、并行多光束刻写、面曝光和体曝光四个方式进行总结与对比，阐述相应的光学系统设计、刻写策略、刻写精度与通量等方面的研究情况，总结各种技术的优势与劣势，同时展望未来发展趋势。     

一种微型转子的激光加工和光致旋转

利用单束强聚焦激光产生的光学力可以驱动微型器件,具有无机械接触和无需导线等优点,为微型机电系统提供了一种新型的驱动方式。在自行研制的飞秒激光微细加工系统中,采用一种新型的丙烯酸酯紫外光固化树脂,通过双光子聚合加工出直径6μm的万字形微转子。利用光镊装置实现了微转子的俘获,并在激光功率50mW时实现了转速为200rpm的光致旋转。微型转子的光致旋转为实现微机械马达提供了一种有效手段。     

激光直写制备金属与碳材料微纳结构与器件研究进展

激光直写技术作为一种新兴的低成本、高效、高精度的加工技术,可以适用于几乎任意自由度的二维或者三维微纳结构快速成型制备.这对光电子以及半导体微纳结构与器件的制备具有重大的意义.金属微纳结构在电子学和光子学中有着广泛的应用.本文综述了激光直写制备金属微纳结构相关研究进展.主要包括激光直写制备金、银、铜以及复合材料微纳结构与...     

飞秒激光三维微细加工技术

双光子吸收几率与光强度的平方成正比,因此,双光子吸收引发光致聚合局限在紧密聚焦的焦点区域,通过控制焦点的扫描运动可实现高精度三维加工。基于该原理,提出了一种利用飞秒激光进行微细加工的技术。根据此技术,建立了飞秒激光三维微细加工系统,该系统包括光源系统、显微镜系统、实时监测系统和精密移动系统等。研究发现,该系统加工的直线线宽最小可达500nm;加工线宽与加工速度成反比;激光功率为2mW时,最大和最小临界加工速度分别为80μm/s和1μm/s;制备出线宽1μm,宽度5μm的“CHINA”复杂结构,以及杆间距、层间距均为5μm的三维木堆型光子晶体结构。实验证实,该技术是一种非常灵活的微细加工技术。     

飞秒激光双光子微细并行加工方法

飞秒激光三维微细加工技术具有真三维的制作能力和亚微米的加工分辨率等特点,因此获得越来越多的关注,但其串行工艺加工效率低是其技术难点．为了提高加工效率,搭建了一套飞秒激光并行加工平台,利用微透镜阵列实现飞秒激光分束聚焦,初步实现了双光子微细并行加工,在光敏树脂和玻璃上分别并行加工出多个二维结构,加工单点分辨率达到1．25μm．针对实验结果,对实验的加工一致性和分辨率进行分析,提出了进一步提高加工效率和加工一致性的方法．     

双光子三维微细加工的进展

介绍了双光子微细加工的原理及特点，总结了国内外在三维微结构、三维功能器件以及新型材料双光子微细加工的一些进展．同时介绍了作者在双光子三维微细加工研究中取得的一些研究结果．     

多光子纳米加工中激光扫描条件对金属微纳结构的影响

研究了飞秒激光多光子还原制备银微纳结构技术中激光扫描条件对金属微纳结构与形貌的影响。结果表明:增加激光扫描点间距d可获得较小线宽,延长曝光时间t使线条变宽,增加扫描次数N可使金属微纳结构表面银纳米粒子熔融凝固成较大尺寸颗粒及块状物。     

用有限元法计算飞秒激光双光子成型点弹性模量

采用有限元法对材料为SCR500的飞秒激光双光子成型点力学性能进行建模及仿真计算，得出了不同弹性模量下成型点与探针之间的作用力．进而利用原子力显微镜接触模式，选用无针尖探针，测量了成型点的力学性能，得出了相同位移载荷下成型点与探针之间的作用力．将测量结果和仿真结果进行比较，推算出成型点的弹性模量．分析结果表明。双光子固化成型点的弹性模量大约为宏观材料弹性模量的1／7．这为进一步研究双光子飞秒激光加工微器件的力学性能提供了基础．     

双光子微加工技术与应用研究

双光子微加工技术是利用材料对飞秒激光束在焦点局部区域发生的双光子吸收现象，并通过逐点扫描来实现微器件三维成型的加工技术．介绍了双光子微加工技术的原理、特点和过程，描述了该加工技术的实验系统，并给出了部分利用该系统获得的初步实验结果，最后简单介绍了双光子微加工技术的一些实际应用。     

理化所pH响应型可设计蛋白质基三维微结构研究取得新进展

正微纳尺度的可控刺激响应生物基材料微结构对生物医药领域具有重要意义。尤其是具有精确定义的几何形貌和可重复性好的智能响应型微尺度结构与器件一直是科研人员研究的热点。双光子聚合微纳加工作为一门新兴的微纳加工技术,为高精细三维微尺度结构的制备提供了有力工具,并可保证微尺度结构的几何形貌和制备可重复性。     

飞秒激光空间选择性诱导玻璃微结构及应用

利用飞秒激光与玻璃的非线性相互作用，可以对玻璃进行空间选择性微观改性与修饰，赋予新的光功能．本文介绍飞秒激光的持点及其对玻璃微结构的改性，以及近年来利用飞秒激光进行玻璃的缺陷控制、光活性离子(稀土、过渡和重金属离子)价态操作、微晶析出与折射率调控及其在光开关、波分复用、波导型有源器件、光子晶体等微光学器件的制备及光学集成领域应用的进展．     

二维光子晶体微腔的制备及其对硅光学材料的光量子放大

光子晶体(PC)可以增加光物质相互作用和光发射效率,在微纳光子学、量子光学及信息光学等领域中都有着广泛的应用。近年来,二维硅基光子晶体微腔的发光增强效应研究取得了较为重大的突破。本文针对现有二维光子晶体及微腔的制备方法与发光性能的调控展开论述,详细介绍了二维光子晶体微腔的制备进程与温度、泵浦能量、微腔结构对微腔Q因子以及发光性能的影响,并进一步展望了二维光子晶体在硅材料光量子放大领域未来研究所面临的问题及应用前景。     

飞秒激光直写加工SERS基底及其应用

表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)是一种高灵敏度、高分辨率的分子识别技术，在多个领域具有非常重要的应用价值。飞秒激光直写作为一种新兴的低成本、高分辨率、高灵活性的微纳加工方法，在制备SERS基底领域得到了广泛的应用。本文重点概述了四种飞秒激光直写制备SERS基底的加工方法，主要包括飞秒激光双光子还原、飞秒激光切割金属、飞秒激光切割-溅射、飞秒激光3D打印。文章简单介绍了各方法制备SERS基底的性能与应用场景，阐述了飞秒激光直写加工在制备SERS基底中的优势，旨在为今后相关研究提供参考。     

我国科学家在三维纳米结构的可控加工方面取得重要进展

<正>三维微/纳结构具有更大空间自由度、更丰富和更新奇的功能特性,在力学、生物医学、微电子及微纳光子学等领域展示出巨大优势和应用前景。然而,目前主流的微/纳米制造技术是基于平面工艺,不能直接用于三维微/纳米结构的加工。近年来,三维加工方法和技术已有较大的进展和突破,如多层叠加、激光三维     

仿生超滑表面的飞秒激光微纳制造及应用

仿猪笼草的超滑表面由于可以抵抗多种液体的粘附,具有优异的稳定性与自修复性,受到越来越广泛的关注.而飞秒激光由于其对加工材料的普适性、高精度,以及高可控性,成为仿生超滑表面制备的有力手段.本文以仿猪笼草的超滑表面为背景,以飞秒激光微加工技术为手段.从超滑表面的飞秒激光微纳制备和应用两个方面,概述了超滑表面的微纳制造和应用...