基于空间光调制器的飞秒激光并行加工技术研究

【作者】 杨亮；

【导师】 褚家如； 黄文浩；

【作者基本信息】 中国科学技术大学， 精密仪器及机械， 2015， 博士

【摘要】 飞秒激光双光子加工在复杂三维微纳功能器件的加工领域具有独特的优势,但是,传统的双光子聚合加工技术是一种基于逐点扫描的串行加工技术,加工效率低,因此在实际生产中难以得到广泛应用。计算全息技术可以调制光场实现灵活可控的光场分布。本文将上述两种新发展起来的技术相结合,发展一种高效并行的双光子聚合加工技术；验证了这种技术的可行性并对相关工艺进行了理论分析和实验研究；基于此完成了几种功能微器件的设计、加工和应用。本论文首先进行了空间光调制技术和计算全息算法的研究。分析了硅基液晶空间光调制器的结构及工作原理；利用琼斯矩阵方法对空间光调制器的光参量调制原理进行了理论分析和计算,分析了影响激光调制的因素；利用标量衍射理论建立了空间光调制器的相位分布模型；详细分析了几种常用的计算全息算法及改进型算法的原理和算法流程,比较了几种算法在光强均匀性、光利用率等方面的优缺点。在空间光调制和计算全息算法研究的基础上,飞秒激光可被精确调制成预先设计的多焦点图案阵列,实现了高效并行双光子聚合加工。利用多焦点并行直写加工技术,进行了高表面质量的微透镜阵列的高效加工并对微透镜阵列进行了光学性能测试,微透镜尺寸精度为97.5%；实现了木堆型和螺旋形复杂三维光子晶体结构的高效加工。对焦点的数量以及分布可进行灵活控制。对影响并行加工均一性、效率和分辨率的因素做了系统的分析。另外,提出了利用液晶空间光调制器实现投影飞秒双光子加工的技术；组建了投影双光子加工系统,验证了这种加工技术的可行性。飞秒激光被进一步调制为线形和面形光场,实现了三维结构的单次曝光加工,提高了双光子加工的效率。理论计算表明,物镜焦平面的光场分布对所加工结构的形貌具有重要影响。实验研究表明长曝光时间和增大设计平面像素密度可以减小投影加工所得微结构的表面粗糙度。最后,利用空间光调制器生成了飞秒贝塞尔光束；实现了对贝塞尔光束的参数的灵活控制；利用飞秒贝塞尔光束实现了微环形结构的单次曝光式加工。理论计算了全息参数与环形结构的尺寸之间的定量关系,实现了环形结构尺寸的定量控制而不需要对光路做任何改变。利用贝塞尔光束拉伸的方式进行了微管道结构的高效可控加工；实现了微管道高度、周期、分布以及倾斜角度的可控。微管道的直径和顶部形貌在一定范围内可通过计算全息参数以及激光加工参数进行调控。在此基础之上,研究了微管道结构在生物组织工程及细胞研究领域的应用：利用贝塞尔光束进行生物组织工程支架结构的加工可提高加工效率；利用微管道成功实现了老鼠纤维肌细胞及人体乳腺癌细胞的抓捕和释放,相关成果对研究细胞在受限环境下的运动特性以及生长、分裂和繁殖具有重要的应用价值。 还原