飞秒激光双光子制造生物微器件微支架

介绍了飞秒激光双光子吸收和光聚合的机制,将飞秒激光技术应用于生物相容性材料(ORMOCER)的三维微纳米加工中.在ORMOCER材料内实现了双光子光聚合,最高加工精度达到0.5 μm,突破了衍射极限.推导出双光子光聚合阈值的数学表达式,研究了扫描速度V和激光功率P对横向尺寸的影响规律.在此基础上采用飞秒激光双光子微细加工技术制备了典型的微生物器件--微井阵列、微柱阵列和光子晶体生物微型支架.     

飞秒激光双光子复杂结构的微细加工

阐述了双光子激发的原理和飞秒激光三维加工的技术特点。利用自行研制的飞秒双光子微细加工系统，在优化工艺参数的基础上，加工出一系列三维微结构，并实现了可动的三维微系统一齿轮轴系统的一次成型。     

SU-8胶双光子微加工分辨率与工艺条件研究

为了提高SU-8光刻胶的微加工分辨率,利用飞秒激光双光子聚合技术研究了SU-8光刻胶微加工时的加工工艺条件与分辨率之间的关系.实验在本研究组自主研制的纳米光子学超细微加工系统上进行,以钛蓝宝石飞秒激光器发出的780 nm波长激光作为加工光源,考察了不同激光功率与曝光时间等激光加工条件和后烤与无后烤等工艺条件对SU-8聚...     

凝聚态物质的近红外飞秒激光微纳制备

利用近红外飞秒激光脉冲对玻璃和聚合物等透明凝聚态物质进行微纳制备．通过飞秒激光诱导的折射率变化在石英玻璃内部制备光栅等折射率型元器件;从后表面开始钻孔并引入蒸馏水,在钠钙玻璃中加工出纵横比很大的微细直孔;改变飞秒双光子聚合中激光焦点在样品中的位置,聚合出直线型和波浪型等不同形状的线条．     

曲面基底衍射光学元件的激光直写技术

飞秒激光直写技术(FsLDW)因其优异的三维加工能力、高空间分辨率、低附加损伤等优点被广泛地应用于微纳加工领域,但传统飞秒激光直写技术在加工效率、加工面积和加工精度之间存在矛盾。为了实现高速、大面积、高精度的激光微纳加工,构建了一种由大范围水平位移台和高速旋转台组成的极坐标系飞秒激光直写系统。基于该系统,研究了轴对称样品中心对准方法及曲面曲率校准方法,并在曲面上制备了多阶三维结构。最终完成了在透镜曲面上制备直径为10mm的衍射圆光栅结构,实现了飞秒激光高速、大尺寸、高精度地制备大面积三维结构。该研究为高性能折衍混合光学元件的制备提供了有力的技术支持。     

高效双光子引发剂及水相中制备水凝胶微结构的研究进展

对双光子引发剂的设计合成和飞秒激光双光子聚合技术的基本原理进行了简单介绍。着重介绍了用于水凝胶双光子聚合的引发剂的研究进展,主要包括通过扩大共轭链长度、引入强供/吸电子基团、加入共引发体系等来增大双光子吸收截面,引入自由基淬灭基团以降低荧光量子产率,增加引发剂的水溶性来降低微结构细胞毒性等方面。这些研究为生物相容性三维水凝胶微纳结构的制备及应用提供了科学基础,是更好地模拟体内细胞生长微环境的必要条件。接着,介绍双光子聚合制备的水凝胶微纳结构及其在组织工程领域中的应用。最后,对生物相容性水凝胶微结构在应用中存在的问题与未来发展趋势进行总结和展望。     

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。     

飞秒激光双光子微细结构的制备

基于双光子吸收引发的光聚合局限在紧密聚焦的焦点区域的原理,建立了飞秒激光三维微细加工系统;结合高斯光束的强度分布函数,推导了横向与轴向分辨率的表达式。在ORMOCER材料内实现了双光子光聚合,最高加工精度达到0.7μm。研究表明,加工线宽随功率增加而增加,随加工速度增加而减小;确定了波束腰为0.425μm,双光子吸收截面为2×10-54cm4.s。采用双光子光聚合技术,加工了齿宽5μm的实体微型齿轮,制备三维木堆型光子晶体结构,分辨率为1.1μm,杆间距和层间距均为5μm,实现了飞秒双光子光子晶体结构的制备。     

径向偏振光对微纳尺度聚合物结构纵向分辨率的改善

研究了径向偏振型飞秒脉冲激光并将其引入基于双光子吸收理论的微纳加工系统,得到了更高纵向分辨率、更低长径比的二维微纳尺度聚合物结构.对聚焦光场内光强分布的理论模拟表明:径向偏振型飞秒脉冲激光在提高纵向分辨率的同时会在一定程度上降低聚合物结构的横向分辨率,使聚合物结构的长径比降低.用扫描电子显微镜表征聚合物结构得到的结果与理论模拟结果具有良好的一致性.径向偏振型飞秒脉冲激光提高了微纳尺度聚合物结构的纵向分辨率,在激光光刻领域有良好的应用前景.     

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。     

利用飞秒激光直写技术制备钙钛矿微盘激光器

利用溶液法制备的钙钛矿微/纳米晶虽然可以得到性能良好的微型激光器,但是其所需生长周期较长且缺乏重复性.为了解决这一问题,提出了利用飞秒激光直写技术制备高重复性钙钛矿微盘激光器的新方法.首先使用双源共蒸的方法在石英玻璃衬底上沉积FAPbI3钙钛矿薄膜,然后采用飞秒激光直写技术在FAPbI3钙钛矿薄膜上制备不同直径的微盘激...     

飞秒激光制备表面微纳结构数值模拟与实验研究北大核心CSCD

微纳米尺度的表面结构在表面工程中有着许多特殊的性能和应用,为了研究飞秒激光制备不锈钢表面微纳结构的机理,基于经典双温模型理论对飞秒激光烧蚀304不锈钢的过程进行了数值模拟计算。经过计算得到了不同激光能量密度、不同烧蚀深度处电子与晶格系统温度的演化规律,确定了飞秒激光单脉冲作用下的烧蚀阈值,通过数值模拟得到飞秒激光烧蚀不锈钢只发生在材料的表面,对内部的材料影响很小。最后使用飞秒激光微纳加工系统在不锈钢表面制备了微纳结构,多边形微孔结构保持了高质量的边缘形貌,在孔的内壁出现了周期性结构。     

利用飞秒激光双光子聚合法制作相位光栅

使用中心波长为800nm,脉冲重复频率约为83MHz,脉冲宽度为40fs的飞秒激光振荡器,研究了飞秒激光双光子聚合工艺,并制作了一个光栅常数12μm的位相光栅。     

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。     

Carbazole-Based Anion Ionic Water-Soluble Two-Photon Initiator for Achieving 3D Hydrogel Structures

3D hydrogel structures fabricated by two-photon polymerization (TPP) have become attractive in biomedical fields. Generally, conventional organic solvents are toxic and the residues left in the fabricated 3D structures are harmful to cells. Hence, anion ionic carbazole-based water-soluble two-photon initiator (TPI) 3,6-bis[2-(1-methylpyridinium)vinyl]-9-methylcarbazole ditosylate (BT) is proposed to construct arbitrary 3D hydrogel structures. Cucurbit[7]uril (CB7) and BT form a host-guest complex (CB7/BT) with a binding ratio of 1:1, which further improves the water solubility, biocompatibility and nonlinear absorption property of TPI. A water-soluble photoresist consisting of photoinitiator CB7/BT and monomer poly(ethylene glycol) diacrylate is prepared to explore the TPP fabrication capacity. The electron paramagnetic resonance measurement shows that CB7/BT initiates photopolymerization by alkyl radicals. The laser threshold power of the photoresist is 6.3 mW and the feature size is 127 nm in TPP at 780 nm. The initiator with p-toluenesulfonate anion exhibits higher binding energy, larger two-photon absorption cross-section and two-photon fabrication resolution compared with the previous work using iodide as an anion, indicating a promising way to improve the fabrication capacity of water-soluble TPI through changing the anion ionic group. The proposed strategy will provide high potential for the further application in the biomedical field.     

双光子聚合制备聚苯胺微结构

为直接制备小尺度且具有可控形貌的导电聚合物微结构,利用一种基于飞秒激光的双光子聚合法,实现了聚苯胺在基底上任意位置处微纳米尺寸线条的精准可控制备。以苯胺为单体、硝酸为氧化剂,通过调控苯胺与硝酸的浓度,可以制备出具有不同形貌的聚苯胺微纳米线。不溶于水的苯胺高聚物在水相界面处合成,苯胺与硝酸的浓度及激光功率会影响水溶性苯胺低聚物的分布,进而影响聚苯胺微纳米线的形貌。当苯胺与硝酸浓度分别为0.69 mol·L^-1和0.60 mol·L^-1时,可制备出具有致密光滑形态、电导率为5.79×10^-6 S·cm^-1的聚苯胺微纳米线。本研究为导电聚合物的制备及其在传感器、微型探测器等微纳米器件中的广泛应用提供了新思路。     

可见光波段飞秒激光双光子微纳加工研究

基于矢量衍射理论,计算了多个可见光波段激光经紧聚焦后在焦点附近的双光子点扩散函数。计算结果表明,双光子吸收效应的作用区域随着波长的减小而减小。采用多个可见光波段飞秒激光光源进行了双光子光聚合加工,并对加工分辨率和加工阈值进行了分析。实验结果表明,在每个激光波长条件下,降低光子流密度能够提高加工分辨率;随着加工波长的减小,双光子加工的阈值逐渐降低。     

应用飞秒激光双光子吸收还原金属离子

为了探讨利用有机高分子材料的飞秒激光双光子吸收来引发金属离子还原的可行性,在自行研制的双光子微细加工系统中,采用物质的量的比为1:1的硝酸银/聚乙烯吡咯烷酮混和凝胶进行还原试验,加工出宽25μm的线条以及4mm×0.4mm的测试导线。由X射线光电子能谱分析可知,加工生成物主要元素是银,通过测试导线电阻,测算其电阻率范围在10-3Ω·m～10-5Ω·m之间。结果表明,用双光子吸收还原金属离子,可以控制反应区域,这对加工导电金属微结构是有帮助的。