基于空間光調制器的飛秒激光并行加工技術研究

【作者】?楊亮；

【導師】?褚家如；?黃文浩；

【作者基本信息】?中國科學技術大學， 精密儀器及機械， 2015， 博士

【摘要】?飛秒激光雙光子加工在復雜三維微納功能器件的加工領域具有獨特的優勢,但是,傳統的雙光子聚合加工技術是一種基于逐點掃描的串行加工技術,加工效率低,因此在實際生產中難以得到廣泛應用。計算全息技術可以調制光場實現靈活可控的光場分布。本文將上述兩種新發展起來的技術相結合,發展一種高效并行的雙光子聚合加工技術；驗證了這種技術的可行性并對相關工藝進行了理論分析和實驗研究；基于此完成了幾種功能微器件的設計、加工和應用。本論文首先進行了空間光調制技術和計算全息算法的研究。分析了硅基液晶空間光調制器的結構及工作原理；利用瓊斯矩陣方法對空間光調制器的光參量調制原理進行了理論分析和計算,分析了影響激光調制的因素；利用標量衍射理論建立了空間光調制器的相位分布模型；詳細分析了幾種常用的計算全息算法及改進型算法的原理和算法流程,比較了幾種算法在光強均勻性、光利用率等方面的優缺點。在空間光調制和計算全息算法研究的基礎上,飛秒激光可被精確調制成預先設計的多焦點圖案陣列,實現了高效并行雙光子聚合加工。利用多焦點并行直寫加工技術,進行了高表面質量的微透鏡陣列的高效加工并對微透鏡陣列進行了光學性能測試,微透鏡尺寸精度為97.5%；實現了木堆型和螺旋形復雜三維光子晶體結構的高效加工。對焦點的數量以及分布可進行靈活控制。對影響并行加工均一性、效率和分辨率的因素做了系統的分析。另外,提出了利用液晶空間光調制器實現投影飛秒雙光子加工的技術；組建了投影雙光子加工系統,驗證了這種加工技術的可行性。飛秒激光被進一步調制為線形和面形光場,實現了三維結構的單次曝光加工,提高了雙光子加工的效率。理論計算表明,物鏡焦平面的光場分布對所加工結構的形貌具有重要影響。實驗研究表明長曝光時間和增大設計平面像素密度可以減小投影加工所得微結構的表面粗糙度。最后,利用空間光調制器生成了飛秒貝塞爾光束；實現了對貝塞爾光束的參數的靈活控制；利用飛秒貝塞爾光束實現了微環形結構的單次曝光式加工。理論計算了全息參數與環形結構的尺寸之間的定量關系,實現了環形結構尺寸的定量控制而不需要對光路做任何改變。利用貝塞爾光束拉伸的方式進行了微管道結構的高效可控加工；實現了微管道高度、周期、分布以及傾斜角度的可控。微管道的直徑和頂部形貌在一定范圍內可通過計算全息參數以及激光加工參數進行調控。在此基礎之上,研究了微管道結構在生物組織工程及細胞研究領域的應用：利用貝塞爾光束進行生物組織工程支架結構的加工可提高加工效率；利用微管道成功實現了老鼠纖維肌細胞及人體乳腺癌細胞的抓捕和釋放,相關成果對研究細胞在受限環境下的運動特性以及生長、分裂和繁殖具有重要的應用價值。?還原