基于空間光調(diào)制器的飛秒激光并行加工技術(shù)研究.pdf

1、飛秒激光雙光子加工在復雜三維微納功能器件的加工領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢，但是，傳統(tǒng)的雙光子聚合加工技術(shù)是一種基于逐點掃描的串行加工技術(shù)，加工效率低，因此在實際生產(chǎn)中難以得到廣泛應用。計算全息技術(shù)可以調(diào)制光場實現(xiàn)靈活可控的光場分布。本文將上述兩種新發(fā)展起來的技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展一種高效并行的雙光子聚合加工技術(shù);驗證了這種技術(shù)的可行性并對相關(guān)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(shè)計、加工和應用。
　　本論文首先進行了空間光

2、調(diào)制技術(shù)和計算全息算法的研究。分析了硅基液晶空間光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)及工作原理;利用瓊斯矩陣方法對空間光調(diào)制器的光參量調(diào)制原理進行了理論分析和計算，分析了影響激光調(diào)制的因素;利用標量衍射理論建立了空間光調(diào)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(yōu)缺點。
　　在空間光調(diào)制和計算全息算法研究的基礎(chǔ)上，飛秒激光可被精確調(diào)制成預先設(shè)計的多焦點圖案陣列，實現(xiàn)了高

3、效并行雙光子聚合加工。利用多焦點并行直寫加工技術(shù)，進行了高表面質(zhì)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(xiàn)了木堆型和螺旋形復雜三維光子晶體結(jié)構(gòu)的高效加工。對焦點的數(shù)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(tǒng)的分析。
　　另外，提出了利用液晶空間光調(diào)制器實現(xiàn)投影飛秒雙光子加工的技術(shù);組建了投影雙光子加工系統(tǒng)，驗證了這種加工技術(shù)的可行性。飛秒激光被進一步調(diào)

4、制為線形和面形光場，實現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的形貌具有重要影響。實驗研究表明長曝光時間和增大設(shè)計平面像素密度可以減小投影加工所得微結(jié)構(gòu)的表面粗糙度。
　　最后，利用空間光調(diào)制器生成了飛秒貝塞爾光束;實現(xiàn)了對貝塞爾光束的參數(shù)的靈活控制;利用飛秒貝塞爾光束實現(xiàn)了微環(huán)形結(jié)構(gòu)的單次曝光式加工。理論計算了全息參數(shù)與環(huán)形結(jié)構(gòu)的尺寸之間的定量關(guān)系，實現(xiàn)了環(huán)形結(jié)構(gòu)尺寸的定

5、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(jié)構(gòu)的高效可控加工;實現(xiàn)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(nèi)可通過計算全息參數(shù)以及激光加工參數(shù)進行調(diào)控。在此基礎(chǔ)之上，研究了微管道結(jié)構(gòu)在生物組織工程及細胞研究領(lǐng)域的應用:利用貝塞爾光束進行生物組織工程支架結(jié)構(gòu)的加工可提高加工效率;利用微管道成功實現(xiàn)了老鼠纖維肌細胞及人體乳腺癌細胞的抓捕和釋放，相關(guān)成果對研究細胞在受限環(huán)境下的運動