双光子三维微结构快速制备技术

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双光子微纳加工技术结合化学镀工艺制备三维金属微弹簧结构

双光子微纳加工技术结合化学镀工艺制备三维金属微弹簧结构贾雁鹏;郑美玲;董贤子;赵震声;段宣明【摘要】利用飞秒激光双光子微纳加工技术与化学镀工艺制备了三维金属微弹簧结构.采用扫描电子显微镜(SEM)及选区电子能谱(EDS)对镀层进行了表征,当化学镀时间为15 min时,所得到的镀层厚度约为130 nm.对不同电镀时间下获得的镀层电阻率进行了测定,实验结果表明,当电镀时间为35 min时得到的镀层电阻率约为80×10-9 Ω·m,仅为银块体材料电阻率16×10-9 Ω·m的5倍.利用这种方法,我们制备了总长度为28.75 μm、周期为2.93 μm的悬空金属弹簧结构,其中弹簧圈数为9圈,直径为6 μm,弹簧线分辨率为1.17 μm.文中所述的将双光子微纳加工技术与化学镀技术相结合的方法可以实现任意三维微金属结构与器件的制备,在微光学器件、微机电系统(MEMS)及微传感器等领域有着广泛的应用前景.【期刊名称】《影像科学与光化学》【年(卷),期】2014(032)006【总页数】8页(P542-549)【关键词】双光子微纳加工技术;化学镀;三维金属微纳米结构【作者】贾雁鹏;郑美玲;董贤子;赵震声;段宣明【作者单位】中国科学院理化技术研究所,北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院理化技术研究所,北京100190;中国科学院理化技术研究所,北京100190;中国科学院理化技术研究所,北京100190;中国科学院理化技术研究所,北京100190;中国科学院重庆绿色智能技术研究院,重庆400714【正文语种】中文金属微纳结构具有表面等离子体共振［1］等新颖的物理效应，在微纳米技术的研究中占据重要的地位。

它们在光学器件、纳米电路、化学生物传感器、医疗检测诊断及生物成像等方面有巨大应用价值。

目前常用的微纳加工技术有光学曝光技术［2］、电子束曝光技术［3］、聚焦离子束曝光技术［4］以及纳米压印技术［5］等。

超快激光精密制造技术的研究与应用

第５０卷　第１２期激光与红外Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．１２　２０２０年１２月ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤＤｅｃｅｍｂｅｒ，２０２０文章编号：１００１５０７８（２０２０）１２１４１９０７·综述与评论·超快激光精密制造技术的研究与应用杜　洋，赵　凯，朱忠良，王　江，邓文敬，梁旭东（上海航天设备制造总厂有限公司，上海２００２４５）摘　要：超快激光以其超短的激光脉冲、超高功率密度、较低的烧蚀阈值、加工超精细及可实现冷加工等特点，近年来受到国际学术界和工程界的广泛关注。

本文梳理了超快激光精密制造技术的发展历史，综述了超快激光精密制造技术在表面加工及三维加工领域的工艺研究及应用进展，并介绍了超快激光精密制造装备在国内外的研制情况，对今后超快激光精密制造技术研究的发展趋势进行了探讨和展望。

关键词：超快激光；精密制造；微纳结构；装备中图分类号：ＴＮ２４９文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０２０．１２．００１ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤＵＹａｎｇ，ＺＨＡＯＫａｉ，ＺＨＵＺｈｏｎｇｌｉａｎｇ，ＷＡＮＧＪｉａｎｇ，ＤＥＮＧＷｅｎｊｉｎｇ，ＬＩＡＮＧＸｕｄｏｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒｆｅａｔｕｒｅｓｕｌｔｒａｓｈｏｒｔｌａｓｅｒｐｕｌｓｅｓ，ｕｌｔｒａｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ，ｌｏｗａｂｌａｔｉｏｎｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓ，ｕｌｔｒａｆｉｎｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｃｏｌｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｉｔｈａｓｒｅｃｅｉｖｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌａｃａｄｅｍｉｃａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｉｒｃｌｅｓＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙｏｆｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｓｏｒｔｅｄｏｕｔ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄ３ＤｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｓｒｅｖｉｅｗｅｄＡｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄＦｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ｍｉｃｒｏｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（Ｎｏ５１７０５３２８）；上海市青年科技英才扬帆项目（Ｎｏ１７ＹＦ１４０８５００）资助。

双光子激光扫描荧光显微镜及其应用

表 1 几种常见荧光分子的单光子、双光子和三光子的吸收截面 3 [5 ]
荧光分子
δ1 (λ/ nm) / 10 - 16cm2
ηδ2 (700nm)
/ 10 - 50cm4·s / 光子
ηδ3 (700nm) / 10 - 83cm6·s2/ 光子2
DAPI free
113 (345nm)
Dansy1
TWO PHOTON LASER SCANNING FL UORESCENCE MICROSCOPY AND ITS APPL ICATIONS
CHEN De2Qiang XIA An2Dong WAN G Ke2Yi HUAN G Wen2Hao
( Depart ment of Precision M achi nery and Inst rument ation , U niversity of Science and Technology of Chi na , Hef ei 230026)
图 1 单、双光子激发过程示意图
图 2 单、双光子激发所形成的荧光形貌 (样品为罗丹明 B 的水溶液. 上为单光子激发 ,下为双光子激发)
3 材料的吸收截面 δ
吸收截面 δ是双光子激发现象的重要参数 , 它的大小反映了分子吸收双光子的本领. 对单光子激发中的吸收截面 δ已有较为准确的文献记载 , 而对双光子乃至多光子吸收截面 δ,目前尚缺乏全面、准确的记载. 因此 ,对常用的荧光分子多光子吸收截面 δ和光谱的进一步研究 , 将有助于多光子激发共焦激光扫描荧光显微镜的进一步广泛应用.
·232 ·
2 双光子激发原理简介
在激光照射下 ,基态荧光分子或原子吸收一个光子后成为激发态 ,随后又弛豫到某一基态 ,同时以光子形式释放能量而发出荧光. 这一过程就是通常的单光子激发情况. 1931 年 ,Maria G ppert - Mayer 预言一个分子或原子可以在同一个量子过程中 ,同时吸收两个光子而成激发态 ,这种情况就是双光子激发过程[2 ] . 1961 年 , Kaiser 等在 CaF2 ∶Eu2 + 晶体中首次观察到了这种双光子激发现象[3 ] . 图 1 简单地描述了这种双光子激发的过程. 比如在单光子激发情形 ,NADH 酶在 350nm 的光激发下产生 450nm 的荧光 ,而在双光子激发情形 , NADH 酶则需同时吸收两个 700nm 的光子才能产生 450nm 的荧光. 这就是说 ,双光子技术可以使我们无需使用紫外光源

生命科学中的双光子显微技术

生命科学中的双光子显微技术双光子显微技术是一种高级的显微镜技术，它通过同时使用两个光子束来观察生物体内细胞和组织的三维结构。

这种技术有着独特的优势，如高分辨率、高对比度和非侵入性等，使得它成为当前生命科学领域中非常重要的工具之一。

在传统的单光子显微技术中，激光束和标记物相互作用，产生荧光并被探测。

虽然在最初的单光子显微镜中，荧光信号可以产生成像，但是荧光光子会散开并丢失其原始位置和分辨率，这导致了成像的低分辨率和对比度不高的情况。

而双光子显微镜则通过激光束在空间和时间上相互耦合，产生极为定位的受激发事件，从而实现了非常高的空间分辨率和对比度。

双光子显微技术的优势在于其高空间分辨率和对比度，使得该技术可以直接观察高分子生物大分子的功能和交互。

这也使得该技术成为研究功能性状态和机制的理想工具之一。

由于当前研究领域中对于生物技术的研究越来越关注功能性状态和交互性，因此该技术有望不断推动生命科学领域的发展。

此外，双光子显微技术的优点还在于它可以在非致命性方式下探测和观察生物组织，对其植入没有任何影响，深度深度达到数百微米，对于神经生物学领域的研究非常重要。

传统的显微技术通常需要使用荧光标记来可视化生物组织、器官和细胞，而这些荧光标记在一定程度上会影响生物组织的行为。

而双光子显微技术则可以在不影响组织的前提下，探测它们的神经功能和分子活动。

然而，尽管双光子技术的优点非常多，但是它同样面临着一些技术性难题。

例如，在显微镜成像中，激光束的深度穿透度和探测深度都需要考虑到散射光和吸收光的影响，这些非线性影响可以认为是影响成像的最大限制。

在这种情况下，如何缓解产生的光学混叠、匹配度等问题，需要进行各种不同的系统优化和研究，同时，双光子显微技术还存在一些现实上的制约，例如它需要非常大的激光功率和较长的成像时间，这些因素都可能影响实际使用效果。

总之，双光子显微技术是当前生命科学领域中最具前景的先进成像技术之一。

尽管它还面临一些技术问题，但是通过系统的优化和改进技术，相信这将成为探索生命体系结构和功能的先锋技术。

双光子聚合技术的应用

双光子聚合技术的应用
双光子聚合技术是一种新兴的三维打印技术，它利用激光束的非线性
效应，将光子聚合成高分子材料。

这种技术具有高精度、高分辨率、
高速度等优点，被广泛应用于生物医学、微纳加工、光学器件等领域。

在生物医学领域，双光子聚合技术被用于制造复杂的三维生物组织模型。

这种技术可以将细胞和生物材料精确地定位到三维空间中，从而
实现高度仿真的生物组织模型。

这种技术可以用于研究疾病的发生机制、药物筛选、组织工程等方面。

在微纳加工领域，双光子聚合技术被用于制造微型结构和纳米器件。

这种技术可以制造出高精度、高分辨率的微型结构，如微透镜、微流
控芯片、微型机械等。

这些微型结构可以应用于生物医学、光学通信、微电子等领域。

在光学器件领域，双光子聚合技术被用于制造光学器件和光学元件。

这种技术可以制造出高精度、高分辨率的光学器件，如光栅、光学波导、微型激光器等。

这些光学器件可以应用于光通信、光学传感、光
学计算等领域。

总的来说，双光子聚合技术是一种非常有前途的三维打印技术，它具
有高精度、高分辨率、高速度等优点，被广泛应用于生物医学、微纳加工、光学器件等领域。

未来，随着技术的不断发展，双光子聚合技术将会在更多的领域得到应用，为人类带来更多的福利。

双光子光聚合反应课件

微纳制造
微纳器件制造
双光子光聚合反应可用于制造高精度、高稳定性的微纳器件，如微电子器件、传感器和执行器等。
微纳光学元件
利用双光子光聚合反应可制造出具有复杂结构和功能的微纳光学元件，如光子晶体、微透镜和波导等。
光固化3D打印
高精度3D打印
双光子光聚合反应可以实现高精度、高分辨率的3D打印，制造出具有复杂结构和功能的零件和模型。
材料多样性
目前可用于双光子光聚合反应的材料种类有限，需要开发更多种类的适用材料。
解决策略
优化反应条件
通过调整反应介质、温度、光强等参数，实现对聚合过程的
有效控制。
新型催化剂设计
设计新型催化剂以提高双光子光聚合反应的效率。
拓宽应用领域
研究在不同光源和环境条件下双光子光聚合反应的适用性，拓宽其应用领域。
双光子光聚合反应材料
引发剂
01
02
03
引发剂种类
根据聚合反应需要，选择适当的引发剂，如阳离子引发剂、自由基引发剂等。
引发剂作用
引发剂在双光子光聚合反应中起到引发单体活化的作用，是实现聚合反应的关键物质。
引发剂浓度
根据聚合反应速率和材料性能要求，调节引发剂的浓度，以获得最佳的聚合效果。
包括反射镜、聚焦镜等光学元件，用于控制激光束的传播方在适当的温度和压力条件下进行。
实验步骤
01
准备样品
02
清洗和干燥
03 激光照射
04
聚合反应
后处理
05
选择适当的单体、光引发剂、添加剂等，按照一定的比例混合均匀。
确保实验器具干净无污染，将样品放入反应器中。调整激光器参数，使激光束照射到样品表面，激发双光子聚合反应。

双光子三维微结构快速制备技术

ｒｒｎＤＴｓａｅｉｅｔｂｉｈｄ，ａｄｔｅｊｍｐａｄｍａｋｍｏｉｇｍｏｅｉｓｄｉｈｓｆｂｉａｉｎｏｓａｄ１ＰＺｔｇｓｓａｌｅｓｎｈｕｎｒｖｎｄｓｕｅｎｔｉａｒｃｔｏ
ｔｅ－ｉｅｉｎｌｍｉｒｓｒｃｕｅｈｒｅｄｍｎｓｏａｃｏｔｕｔｒｓ
Ｄ０ＮＧｉｎ－ｉＸａｚ。ＤＵＡＮＸｕａ — ｉｎｍｎｇ
（ａｏａｏｙｏｒａｉＮａｏｈｔｎｃ，ＴｃｎｃｌｎｔｕｅｏｈｓｃａｄＬｂｒｔｒｆＯｇｎｃｎＰｏｏｉｓｅｈｉｓｔｔｆＰｙｉｓｎａＩｉＣｅｓｙ，ｈｎｓａｅｆＳｉｎｅ，Ｂｉｉｇ１０８，ｈｎ）ｈｍｉｒＣｉｅｅｔＡｃｄｍｙｏｃｅｃｓｅｊｎ０００Ｃｉａ
维普资讯
７
第１５卷第４期
工光学精密程
ｎｅｒｎｇ０ｐｔｃｎｅｉｉｉｓａｄＰｒｃｓｏｎＥｎｇｉｅｉ
Ｖｏ．ＮＯ１１５．４Ａｐｒ２０．０７
２００７年４月
ｍｅａｅｕｌｓｉｃｔｈｔｔａｒｃｔｏｎｓｅｄｃｎｂｅｉｎｔｌｒｓｔｎｄｉａｅｔａｈｅｆｂｉａｉｐｅａｍｐｒｖｄ１ｒ１０ｉｅｈａｔａｅｈｏｏｅｏ００ｔｍｓｔｎｈｔｍｔｄ０ｂａｅｎｐｏｎｔｂｙｐｏｎｔｓａｎｉｄｅｓｄｏｉｉｃｎｎｇｍｏ．Ｔｈｅｅｘｐｅｉｅａｅｕｌｓａｓｅａｈａｈｅｓａｉｌｆｂｉａｒｍｎｔｌｒｓｔｌｏｒｖｅｌｔｔｔｐｔａａｒｃ — ｔｏｎｒｓｕｉｎｃｎｂｅｉｉｅｏｌｔｏａｍｐｒｖｄｅｆｃｅｔｙｗｉｈｓｒｅｎｈｅｅｏｓｅｔｍｅｕｎｄｒａｆｘｅａｅｏｏｅｆｉｉｎｌｔｈｏｔｎｉｇｔｘｐｕｒｉｅｉｄｌｓｒｐｗ— ｅ，ａｈｅｈｇｓｐａｉｌｆｂｒｃｔｏｅｏｕｉｎｉｃｅｅｓ５ｍ，ｒｎｄｔｉｈｅｔｓｔａａｉａｉｎｒｓｌｔｏｓａｈｉｖｄａ０ｎｗｈｉｈｉｇｈｅｈａｈｅｈｉｈｅｔｃｓｈｉｒｔｎｔｇｓｒｓｕｔｏ０ｎｐｅｏｌｉｎｏｆ１ｍｕｂｌｓｄｉｉｅａｕｒｓ０ｉｈｅｎｌｔｒｔｅ．Ｗｉｈｈｇｈｓｅｎｄｅｅｌｎｐｔａｅｏｕｔｏａｒ－ｔｉｐｅｄａｘｃｌｅｔｓａｉｌｒｓｌｉｎｏｆｆｂｉ

飞秒激光双光子聚合三维微细加工技术及系统研发_陈小亮

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结束语
虚拟数控车削加工技术是先进制造系统研究的热
点之一，本文依据 [.&\O@*#> 数控系统，开发了数控
机械制造 @@ 卷第 @AB 期
!"
现状・趋势・战略
和一定频率下的加工脉冲数是一致的。 ! 个方向上的运动和激光束的通断状态与通断时间都受 "#$ % "#& 软件控制。成形系统的加工原理图如图’ 所示。平面扫描结合光束作逐点加工，直到同一高度加工完毕，而后再纵向进给加工下一层面。逐层累计，即利用这种 “ 积分 ” 式的加工形式最终可以得到三维的微型结构，实现复杂形状固体自由微型制造。从设计到立体结构加工完毕，该系统完全依靠其原理和 ()# 相类似：先设计 "#$ % "#& 技术来实现。三维立体结构模型，再对其进行层切处理，转化为一系列层状平面，每一层面含有立体结构对应高度截面上的轮廓信息。结构设计信息和加工信息都包含在系统的 "#$ % "#& 软件之内 * ’ + 。
!"#$%&’$( #34 5678975:4 ;< => ?796;@6A57B 56;C;CD578E C4938;:;ED A8B FDFC4? G7C3 <4?C;F49;8B :AF46 CG; 0 53;C;8 78BH94B 5;:D?467IAC7;8 7F 564F48C4BJ #34 CG; C4938;:;E79A: FH5467;67C74F ;< C34 C4938;:;EDK 93A6A9C46F ;< CG; 0 53;C;8 ALF;65C7;8K 56;94FF ;< CG; 0 53;C;8 5;:D?467IAC7;8K 93A6A9C46F ;< ?AC467A: A8B CG;@53;C;8 787C7AC;6F A64 A8A:DI4B 78 B4CA7:J #34 4<<49C ;< C4938;:;E79A: 5A@ 6A?4C46F A8B C34 5A6A?4C46 ;5C7?7IAC7;8 9;?L78AC7;8 A64 A8A:DI4B A8B C34 4M5467?48CA: 64FH:CF E7N48J #34 <HCH64 B4N4:;5?48C B7649@ C7;8 7F 56;5;F4BJ )*+ ,-%.#( /*0$-#*’-1. 2&#*% >&68. 9%-$-$+681? 微快速原型是当今制造领域微细加工技术和快速原型技术（两大热点的完美结合，飞秒激光双光 Y$#）子聚合三维零件微快速原型技术是利用先进设备飞秒激光 " [4?C;F49;8BF :AF46 % 双光子聚合 #$$ " #G;@$3;C;8 $;:D?467IAC7;8 % 的光制造技术融合逐层 " bAD46@LD@bAD46 % 的方式 “ 重建 ” 物体组件几何模型的思想进行微细加工以达到数十纳米的高制造精度。它是机械工程学科中微器件成形与材料科学、计算机科学、激光技术、聚合技术的交叉融合，是当今高精尖技术之一。 34-567-$- !"#-%6$8-1 97-$-6-:+0*%8;&$8-1 <8’%-5=&"%8’&$8-1

飞秒激光双光子聚合方法加工图案化微透镜及其成像测试

第28卷第12期2020年12月光学精密工程Optics and Precision EngineeringVol.28No.12Dec.2020文章编号1004-924X(2020)12-2629-07飞秒激光双光子聚合方法加工图案化微透镜及其成像测试苏亚辉1>2'3*,秦天天】，许兵4，吴东4(1.安徽大学电气工程与自动化学院，安徽合肥230601；2.安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥230601；3.信息材料与智能感知安徽省实验室，安徽合肥230601；4.中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽合肥230022)摘要：为改善以往图案化透镜加工工艺复杂、制造技术昂贵、图案设计方面有限制等缺点，本文将飞秒激光双光子聚合加工技术应用于图案化微透镜的快速、高精度加工。

通过球面波因子的变形设计了不同图案的微透镜，利用飞秒激光双光子聚合加工技术在光刻胶样品中加工出图案化的微透镜，然后将光刻胶样品置于显影液中去除未聚合部分，得到图案化微透镜，最后对图案化微透镜进行成像测试和光强均一化分析。

将LED光源分别置于不同图案微透镜的下方，光线透过图案化微透镜成功聚焦出光强一致的焦点图案。

实验结果表明，使用飞秒激光双光子聚合加工可以实现灵活可控的3D图案化微透镜结构的加工，采用加工功率为7mW，曝光时间为2ms，扫描xy步距为0.5pm，步距为0.8〜1.5卩m,不仅保证了微透镜结构表面光滑，而且实现了微透镜的快速加工。

该技术在加工光学超材料、光学微器件、集成光学器件等方面具有广阔的应用前景。

关键词：激光加工；飞秒激光；双光子聚合；微透镜；光刻胶中图分类号:TN249文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20202812.2629Patterned microlens processed using two-photon polymerization of femtosecond laser and its imaging testSU Ya-hui1,2,3*,QIN Tian-tian1,XU Bing4,WU Dong4(1.School of E lectrical Engineering a^id Automation，Anhui Uni r v ersity，Hefei230601，China；2.School of E lectronic Information Engineering，Anhui University，Hefei230601，China；3.AnhuiProvincialLaboratory of InformationMaterialsandlntelligentPerception，Hefei230601，China；4.Department of P recision Machinery and Precision Instrumientation，University of Science and Technology of China，Hefei230022，China)*Corresponding author，E-mail：u stcsyh@Abstract：Two-photon polymerization technology for use in a femtosecond laser was used in the rapid and high-precision processing of a patterned microlens to improve the previous shortcomings，including a com-收稿日期:2020-09-01；修订日期：2020-09-28.基金项目：安徽省高等教育学校自然科学基金重点项目(No.KJ2018A014)；中国博士后科学基金会资助项目(No.2019M662190)；中央高校基础研究经费资助项目(No.WK2090000016)2630光学精密工程第28卷plex processing technology,expensive manufacturing technology,and limited pattern design.First,threedimensional software was used to design the microlens pattern through the deformation of the spherical wave factor,and the two-photon polymerization processing technology for a femtosecond laser was used to process the patterned microlens in the photoresist sample.The sample was then placed in a developer to remove the unprocessed area and obtain the corresponding patterned microlens.Finally,an imaging test and a light intensity homogenization analysis of the patterned microlens were carried out.An LED light source was placed below the patterned microlens,and the light was successfully focused through the patterned microlens to obtain the corresponding patterns with the same light intensity.The experiment shows that the two-photon polymerization of a femtosecond laser can realize the flexible and controllable processing of a 3D microlens structure,a processing power of7mW,an exposure time of2ms,a scanning xy-step of0.5 pm,and a z-step of 0.8-1.5pm,ensuring the smooth surface of the microlens structure and realizing a rapid microlens processing.The two-photon polymerization technology for a femtosecond laser will play an important role in the processing field such as optical metamaterials，optical microdevices，and integrated optical devices.Key words:laser fabrication；femtosecond laser；two-photon polymerization；microlens；photoresist1引言光学器件的小型化、集成化是现代光学系统发展的重要趋势［11o近几十年来，作为一种重要的微光学器件，微透镜由于其体积小、质量轻、光学性能优异等优点在微成像［21、光束整形［31、人工复眼［41等方面的应用十分广泛。

双光子飞秒激光三维加工的工艺流程

双光子飞秒激光三维加工的工艺流程下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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二次结构可折叠三维光子芯片设计与优化

二次结构可折叠三维光子芯片设计与优化光子芯片技术是近年来光通信领域的重要研究方向之一。

光子芯片采用光子器件替代电子器件，具有高速、大带宽、低能耗等优点，被广泛应用于光通信、光子计算和光电传感等领域。

为了进一步提高光子芯片的性能和功能，二次结构可折叠三维光子芯片应运而生。

这种新型光子芯片通过设计合适的二次结构，将光传播路径折叠在三维空间内，从而在有限的空间中实现更多的光学功能。

首先，二次结构可折叠三维光子芯片设计需要考虑的一项关键因素是结构的稳定性。

由于折叠的存在，光子芯片的结构容易受到外界环境的影响而发生位移或变形。

因此，在设计过程中，需要通过合理的材料选择和结构优化，确保光子芯片在折叠后能够保持稳定的工作状态。

另一个需要考虑的因素是光学性能。

二次结构可折叠三维光子芯片的设计需要满足特定的光学器件布局和光学耦合需求。

通过合理设计折叠结构以及光学器件间的距离和角度，可以实现光子芯片中不同光学功能的高度集成和优化。

例如，可以通过折叠结构实现光功率分配、波长筛选和光束聚焦等功能，从而提高光子芯片的传输性能和光学效率。

此外，二次结构可折叠三维光子芯片的设计还需要考虑制造工艺和可扩展性。

如何利用现有的制造技术和设备，高效地制备具有复杂二次结构的光子芯片是一个重要的挑战。

同时，由于光子芯片领域的快速发展和不断涌现的新型器件和材料，二次结构可折叠三维光子芯片的设计应具备一定的可扩展性，以便在未来应用中适应新的需求和技术突破。

为了实现上述设计要求，优化算法和仿真平台的研发非常重要。

通过合理选择和优化成本函数，结合先进的优化算法，可以实现对二次结构可折叠三维光子芯片的全局设计和参数调整。

同时，仿真平台的开发可以提供设计验证和性能评估的工具，加速设计和优化过程。

总之，二次结构可折叠三维光子芯片的设计与优化是光子芯片领域的热门研究方向。

通过充分考虑结构稳定性、光学性能、制造工艺和可扩展性等因素，并借助优化算法和仿真平台的支持，我们可以不断提升二次结构可折叠三维光子芯片的性能和功能，推动光子芯片技术的发展和应用。

双光子光场计算显微物镜的制作流程

双光子光场计算显微物镜的制作流程双光子显微镜是一种高解析度显微镜技术，利用两个光子的共振吸收来激发荧光物质，其制作流程通常包括以下几个步骤:1.设计激光系统:首先需要设计一个用于产生高功率、短脉冲的激光系统。

这个激光系统通常包括一个超快脉冲激光器和一个调制器，用于调节和控制激光的脉冲宽度、能量和重复率。

2.确定目标光场:根据需求，确定所需的目标光场。

这可以通过数值计算方法或基于经验的方法来实现。

目标光场需要具备高强度和均匀性，以提供高分辨率的成像能力。

3.制作光学元件:根据目标光场的要求，制作合适的光学元件。

这些元件可能包括透镜、准直器、偏振片等。

这些元件需要精确控制入射光的强度、角度和偏振状态，以确保良好的光场质量和分辨率。

4.激光光束形成:使用适当的光学元件，将所需的光场形成在样品上。

这可能涉及到光束展宽、光束转换和光束对准等步骤，以确保光束的尺寸和形状适合样品的需求。

5.荧光物质选择和标记:选择适合的荧光物质，并将其标记在样品中。

荧光物质的选择应考虑到其吸收和发射波长、亮度和稳定性等因素。

6.双光子显微成像:使用所设计的光学系统，将激光光束聚焦到样品上，激发样品中的荧光物质。

荧光物质通过共振吸收两个光子而发射出荧光信号。

该信号经过探测器的收集和处理，形成高分辨率的成像图像。

7.成像数据处理:对于获得的成像数据进行处理和分析。

这可能包括图像去噪、增强对比度和分析荧光信号的定量等步骤，以获得更准确的信息。

总之，双光子光场计算显微物镜的制作流程主要包括激光系统的设计、光学元件的制作和光束形成、荧光物质的选择和标记、双光子显微成像以及成像数据的处理等步骤。

这些步骤需要精确的设计和控制，以确保获得高分辨率和高质量的显微图像。

微纳制造

微纳加工技术
光学效应，其产生几率正比于光子通量密度的平方，因此双光子吸收要求相当苛刻的条件，即要求辐射光场有足够强的强度- 飞秒激光具有脉冲短、强度高的特点，很容易在材料中实现双光子吸收- 由于这一特点，它在飞秒激光微纳加工领域具有非常重要的应用- 远远超出衍射极限的分辨本领和真正的三维立体加工，使该方法具有相当的吸引力和巨大的应用潜力- 双光子聚合实验装置如图所示;
微纳加工技术
1.1 微纳技术概念的提出及应用领域 1.2
随着制造业的发展对加工精度提出了越来越的要求高，传统机床的加工精度已经远远能满足飞速发展的消费及军工领域的要求，如电子硅芯片、大规模集成电路，以及对表面粗糙度要求很高的液晶面板等，于是，人们把眼光投入到精度更高的加工技术上，从最初的毫米级，到微米级(千分之一毫米)，到纳米级(千分之一微米)，于是，“微纳技术”这一概念就应运而生了。微纳技术在二十多年的发展过程中。从刚开始的单纯理论性质的基础研究衍生出了许多细分。如微纳级精度和表面形貌的测量，微纳级表层物理、化学、机械性能的检测，微纳级精度的加工和微纳级表层的加工原子和分子的去除、搬迁和重组，以及纳米材料纳米级微传感器和控制技术：微型和超微型机械；微型和超微型机电系统和其他综合系统；纳米生物学等。另一方面，微纳技术的应用领域也得到了很大拓展。到目前为止。微纳技术已经被广泛应用于国防军工和民用产品。最主要的应用如纳米级机械加工、电子束和离子束加、LIGA技术、扫描隧道显微加工技术等。
微纳加工技术
2.1.1激光烧蚀
飞秒激光烧蚀的对象一般为刚性材料，例如绝缘体半导体材料石英、玻璃材料等, 一个典型的实验装置如图所示
飞秒激光烧蚀实验示意图
微纳加工技术
在图中飞秒激光光源绝大多数是飞秒激光再生放大器，利用一个中性密度滤光器控制入射飞秒激光的强度，然后通过显微物镜把飞秒激光聚焦到待加工物体的表面待加工物体固定在平台上，平台由压电陶瓷（MNO）控制运动方向和运动速度整个系统与计算机相连。根据加工的要求编写相应的软件，通过计算机控制整个加工进程关于飞秒激光烧蚀的物理机制，目前还没有一个统一的看法，这个问题仍旧是科学家们研究的热点等人利用飞秒激光研究了烧蚀现象，根据实验结果，他们提出了一个烧蚀机制，认为由于激光能流的作用产生了两种不同的表面形态一种是在高光子通量情况下，产生普通的加热、熔化、沸腾和汽化，在材料表面形成三个破坏区，可表示为轻微改变区、起波纹区和烧蚀。第二种是在低光子通量情况下，非热过程占主要地位，加工剖面非常干净，表面没有纳米尺度的颗粒另外他们对烧蚀过程中纳米尺度颗粒的产生提出了自己的看法，认为并不是源于浓缩或者分解的机制，而是缺陷激发的机制由于晶格存在缺陷，在低通量激光作用下，晶格内缺陷部位吸收更多的热量，导致温度升高，因此在这个局部区域率先发生熔化、沸腾、汽化现象，随后烧蚀现象开始出现双光子聚合产生三维微纳结构在光与物质互作用过程中，如果光强足够强，则物质可能同时从光场中吸收两个光子，这个现象称为双光子吸收- 双光子吸收是一种典型的三阶非线性

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第15卷　第4期2007年4月光学精密工程　Optics and Precision Engineering Vol.15　No.4 Apr.2007 收稿日期:2006204222;修订日期:2006211218. 基金项目:中国科学院百人计划及中国科学院科学研究仪器设备创新研制项目(No.Y2004014)文章编号　10042924X (2007)0420441206双光子三维微结构快速制备技术董贤子,段宣明(中国科学院理化技术研究所有机纳米光子学实验室,北京100080)摘要:建立了一种利用双光子聚合技术快速制备三维微结构的方法,并对加工分辨率进行了研究。

通过对高速扫描原理的研究,提出了采用二维振镜与一维压电微移动台相结合,利用跳跃和扫描协同的运动模式,以段段扫描方式进行三维微结构加工的系统来提高其加工速度。

实验制备千里马和具有木堆结构的三维光子晶体结构说明,采用上述扫描方式可使其加工速度较点点扫描方式提高10倍至1000倍。

实验结果表明,使用一定的激光功率时,其加工分辨率随曝光时间减小而显著提高,实验得到了50nm 的线宽分辨率,超过文献报道的100nm 的最高值。

研究还表明,上述加工方法可实现激光三维微结构的快速制备并具有高分辨率加工的特点。

关　键　词:双光子聚合;快速加工;三维微结构;加工分辨率中图分类号:TN305.7 文献标识码:AHigh speed t w o 2photon laser nanofabrication ofthree 2dimensional microstructuresDON G Xian 2zi ,DUAN Xuan 2ming(L aboratory of Or ganic N ano Photonics ,Technical I nstit ute of Physics an dChemist ry ,Chi nese A cadem y of S ciences ,B ei j i ng 100080,Chi na )Abstract :A high speed fabrication technique based on two 2p hoton polymerization is p roposed for fab 2ricating t hree 2dimensional (3D )microstruct ures and it s spatial fabrication resolution is also st udied.Based on t he st udy of high speed scanning ,a microfabrication system assembled a set of galvano mir 2rors and 1D PZT stage is established ,and t he jump and mark moving mode is used in t his fabrication system wit h line by line scanning mode for imp roving fabrication speed.Two different kind of struc 2t ures (a micro scaled swift horse and a log 2pile p hotonic crystal )are fabricated in experiment s.Experi 2mental result s indicate t hat t he fabrication speed can be imp roved 10or 1000times t han t hat met hod based on point by point scanning mode.The experimental result s also reveal t hat t he spatial fabrica 2tion resolution can be imp roved efficiently wit h shortening t he exposure time under a fixed laser pow 2er ,and t he highest spatial fabrication resolution is achieved as 50nm ,which is higher t han t he highest resolution of 100nm p ublished in literat ures.Wit h high speed and excellent spatial resolution of fabri 2cation ,t his technique is a powerf ul tool for micro/nano part s used for p hotonic devices and M EMS.K ey w ords :two 2p hoton polymerization ;high speed fabrication ;t hree 2dimensional microstruct ure ;fabrication resolution1　引　言 2001年,日本科学家Kawata 等利用超短脉冲激光诱导光刻胶发生双光子聚合反应,利用波长为780nm 的近红外飞秒脉冲激光雕刻出了一个血红细胞大小(长10μm ,高7μm )的公牛像(纳米牛)[1],其激光加工分辨率达到了120nm ,突破了传统光学理论的衍射极限,实现了利用双光子加工技术制造亚微米精度的三维结构。

纳米牛的出现引起了人们对双光子加工技术的极大关注,世界各国均广泛开展了相关研究工作,并先后制备出微弹簧[2],螺旋微转子[3],光子晶体[27],光波导[8],微型激光器[9]等各种功能性微尺度器件。

同时,双光子技术也被应用到高分子纳米复合材料[10]及金属材料等[11]不同材料三维微结构的制备中。

由于双光子技术具有高精度、真三维加工等特点,可望不久的将来在光子学器件、微机电系统等领域得到广泛的应用。

要实现双光子加工技术的实际应用,必须提高其加工效率。

而双光子加工技术中所存在的加工速度慢、效率低,加工面积小等缺点已成为阻碍双光子三维微纳加工技术实现规模化应用的一个重要瓶颈。

为此,日本科学家提出了利用微透镜阵列[12]将一束激光分为数百束激光,使其焦点呈阵列分布,从而实现同时并行加工多个微结构,以实现M EMS 系统的大规模、大批量生产。

本文针对上述问题,从分析限制加工速度的因素入手,研究了提高加工速度及加工分辨率的方法,利用自行研制的飞秒激光超细微加工系统实现了高速及高分辨率加工。

2　双光子微细加工系统2.1　系统组成双光子加工系统如图1。

钛宝石飞秒激光(Spect ra 2Physics ,Tsunami ,重复频率80M Hz ,脉冲宽度80f s ,波长780nm ),经透镜组扩束至8mm ,由物镜(OL YM PU S ,100×1.4)聚焦到光聚合树脂(SCR500,日本J SR 公司产品)内部。

用计算机控制压电微移动台(PI ,P 2622.ZCL )、二维振镜(SCANL AB ,HurrySCAN 14)及快门(UNN Y ,TS8203)协调运动,使光焦点对树脂材料做相对运动。

衰减器用于调节激光能量。

照明光源、二向色镜及CCD 用于加工过程的实时观察。

当激光能量达到双光子光聚合阈值条件以下,光焦点处留下固化的聚合物,将未固化材料洗掉即可得到聚合物二维或三维结构。

图1　双光子聚合加工系统原理图Fig.1　Two 2photon polymerization laser nanofabricationsystem2.2　高速扫描原理利用激光加工的任意结构都可被看成由激光焦点直接写出的很多短线段组成,如图2(a )。

实际加工过程中,激光焦点大多数情况下不只是做直线运动,而是需要不断地改变方向。

因此,系统中控制激光焦点移动路径的移动台与振镜及控制曝光时间的快门等部件的响应时间成为限制加工速度的主要原因。

大位移的三维压电微移动台可单独实现三维扫描,但由于其惯性较大,响应时间需约30ms ,因此,在采用两点之间连续运动的段段扫描方式的情况下,激光焦点在转弯处的停留时间要远远大于它在两点之间运动的时间,从而造成结构的不光滑,如图2(b )。

为了保持结构的光滑度,需要在每两点之间做点点扫描,如图2(c )。

此时可利用快门控制曝光时间,每次曝光完毕后移动焦点至下一个曝光处。

要获得高光滑度的加工表面,需要减小曝光点之间的距离。

当点点间距为50nm 时,由于机械快门曝光时间至少为1ms ,运动1μm 的轨迹需要的时间至少要600ms ,速度相当于0.0017μm/ms ,因此,利用点点扫描方式进行加工虽然可以获得高光滑度的表面,但其加工速度很慢。

二维振镜可以进行X Y 平面内扫描,由于其244 光学　精密工程第15卷　(a )任意结构均可由 (b )压电微移动台的短线段组成段段扫描模式(a )Short lines compose (b )Line 2line scanning structure in any shapemode for a 3D PZTstage(c )压电微移动台的 (d )二维振镜的点点扫描模式段段扫描模式(c )Point by point ■(d )Line 2line scanningscanning mode for mode for a 2D a 3D PZT stageGalvano mirrors set图2　激光加工过程中激光焦点的扫描模式Fig.2　Scanning modes used in fabrication systems转动惯量小,响应时间可<0.5ms ,在点点扫描方式下,其平均扫描速度相当于0.1μm/ms ,是上述移动台扫描速度的60倍。

因此,利用二维振镜与一维微移动台结合方式可以达到高速扫描的目的。

另外在选择合适功率的情况下,0.5ms 的响应时间不会降低结构光滑度,可进行段段扫描方式加工,如图2(d )。

二维振镜有两种运动方式:跳跃式和扫描式。

在不需要曝光的区域利用跳跃式运动,速度固定为110μm/ms ,由于激光焦点的扫描速度极快,树脂不会发生聚合;在需要曝光的区域,控制扫描速度以扫描方式运动(扫描速度可在0.010～110μm/ms 之间连续可调),整个加工过程不需要控制快门进行曝光,节省了仪器在点点运动模式中的响应时间和快门的曝光时间,在激光加工系统中利用跳跃和扫描协同的运动模式,并以段段扫描方式的方法进行加工可实现高速双光子微结构制备。