飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用

激光加工技术作为重要的先进制造技术之一已广泛应用于众多的工业制造领域. 利用激光直写技术进行材料加工时, 其所能达到的加工分辨率一直受到经典光学理论衍射极限的限制, 难于进行纳米尺度的加工. 飞秒脉冲激光的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段, 也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的光源. 近年来, 作为最新的激光加工技术之一的飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点. 该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应, 成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率, 可望在功能性微纳器件制备等纳米技术领域发挥重要作用, 具有广阔的应用前景. 在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120 nm的加工分辨率后, 最近我国科学家实现了15 nm线宽的纳米尺度加工分辨率. 在利用多光束并行加工技术进行快速、大批量微纳结构加工的同时, 最新发展的多光束组合技术实现了多部件组合加工、一次成型, 解决了微尺度零部件组装难题, 为微纳尺度器件及微机电系统的开发提供了具有实用化前景的加工方法与途径. 利用飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术的高精度、良好的空间分辨率和真三维加工能力的特点, 各国科学家制备出了各种微尺度光子学器件及微机电系统, 充分展示了该技术的应用前景. 随着对飞秒脉冲激光与物质相互作用机理、加工技术及相关材料技术的深入研究, 飞秒脉冲微纳加工技术必将获得快速发展, 并在先进纳米制造领域获得新的突破.     

封面说明

<正>飞秒激光微纳加工技术具有三维可设计制造、高精度、高空间分辨率、材料适用范围广等优势,在三维微纳结构制备领域显示了巨大的应用前景.近年来,随着国内外对超短脉冲激光与物质相互作用规律的深入研究,超快激光微纳加工技术不断进步,其应用领域拓展至微光学、微传感器、微电子学、微机械、微流控及仿生微纳制造等多个方向.借助超快激光微纳加工技术,一系列常规加工手段无法制备的复杂微纳结构被成     

飞秒激光诱导周期性表面结构及其应用

近年来,飞秒激光微纳加工技术引起了科学界的广泛关注.飞秒激光脉冲凭借其超短脉宽及超强的瞬时功率,较传统的激光加工有着明显的优势:几乎可以加工任何材料,非接触加工,非热加工,加工精度高,能够加工亚微米级结构和三维复杂结构,加工过程耗能低.飞秒激光加工材料的过程中会产生周期性的表面结构,这些表面结构会对材料的表面性能产生明显的影响,并且在国防、医疗、高端制造等多个领域具有巨大的应用潜力.因此,国内外研究人员对飞秒激光诱导周期性表面结构进行了系统深入的理论研究和实验研究.本文简要阐述了飞秒激光的基本特点及飞秒激光微纳加工的独特优势,对近年来关于飞秒激光诱导周期性表面结构(laser induced periodic surface structure,LIPSS)的理论与实验研究进行了综述,并阐述了这种周期性表面结构对材料表面浸润特性、光学特性以及表面拉曼增强的影响和研究进展,最后对LIPSS未来的研究方向进行了预测和展望.     

飞秒激光仿生复眼制造进展

复眼系统是自然界中普遍存在的一种视觉成像系统,与单眼相比,它具有体积小、视场角大、景深大以及对快速运动物体灵敏度高等优点.人工仿生的复眼结构在机器人视觉、三维成像、目标跟踪、导航、监测、医学等领域具有极其重要的应用价值.与传统复眼透镜制备技术相比,飞秒激光微纳加工技术在三维制备、高精度加工、可程序化设计等方面具有突出的优势,使得飞秒激光技术成为重要的仿生复眼制备方式.本文总结了飞秒激光加工仿生复眼透镜的最新研究进展,对激光增材和减材两种制备方式分别进行了阐述和分析,对仿生复眼透镜的应用进行了简单的介绍,最后探讨了飞秒激光制备复眼透镜领域存在的一些挑战,并对该领域的未来发展方向进行了展望.     

基于BMP图像边缘跟踪的飞秒激光微加工技术研究

针对复杂结构和图案的飞秒激光微加工, 提出了一种基于BMP图像边缘跟踪的飞秒激光微加工方法. 介绍了采用该方法实现复杂图形飞秒激光微加工的总体思路, 讨论了加工路径的提取、优化、跟踪和加工过程的反馈, 以及在此基础上开发的飞秒激光微加工数控程序等. 并利用此技术成功制备出二维微纳图案. 研究结果表明, 利用该技术可实现微米至亚微米级特征尺寸复杂图案和微纳结构的飞秒激光数控加工.     

飞秒激光仿生制备极端浸润性表面

极端浸润性表面由于具有许多奇异的特性和重要的应用,近年来备受国际学术界和工业界的广泛关注.与传统微制造技术相比,飞秒激光微纳加工技术在设计制备复杂精细表面微纳结构方面具有非常突出的优势.飞秒激光近年来也被成功应用于调控固体材料表面的浸润性.本文系统总结了飞秒激光在制备不同极端浸润性表面方面的研究进展,包括超疏水表面、水下超疏油表面、水下超疏气表面、润滑液灌注滑动表面、可调粘滞性表面以及各向异性表面.本文从仿生制备的角度,阐述了各种超浸润表面飞秒激光构建的方法和思路,以及不同浸润性之间的关系,介绍了飞秒激光诱导极端浸润性表面的重要应用,探讨了该领域目前所面临的主要挑战,并对未来的发展进行了展望.     

介电晶体光波导的制备及其应用

介电光学晶体种类繁多,具有丰富的功能属性,在科学研究、生产生活的各个领域有着广泛的应用.光波导是基本的光学微结构之一.基于介电光学晶体的光波导结构是组成集成光子学器件的重要元件.利用飞秒激光直写或者载能离子束辐照技术,可以有效调控晶体材料局部区域的折射率分布,形成低损耗的光波导结构.本文将介绍介电晶体光波导(包括单晶薄膜)的制备方法及相关的波导性能,综述介电晶体光波导在激光产生、非线性光学频率转换、信号调制以及量子信息中的应用,并对这一领域的未来研究进行展望.     

蚕丝走向可植入微纳器件

正吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室孙洪波教授课题组与复旦大学邵正中教授课题组合作,提出基于丝素蛋白的全水相多光子光刻技术.利用飞秒激光直写"定制"以丝素蛋白为"核心材料模块"的功能特性多样化且可设计的微纳结构与器件.相关研究结果以"Aqueous multiphoton lithography with multifunctional silk-centredbio-resists"为题,于2015年10月16日发表于Nat     

飞秒激光制备仿生疏水微柱阵列应用于液滴操控

仿生功能表面的制备是目前研究的热点,尤其是仿生疏水表面的制备.常用的制备方法包括等离子刻蚀、光刻等,制备过程较为复杂.本文基于飞秒激光微纳加工和模板转印技术,提出了一种制备疏水微柱阵列的简单策略,系统地研究了结构参数、表面化学修饰和润湿性之间的关系.研究发现,直径、间距和高度等结构参数对微柱阵列表面的润湿性影响较大.当微柱间距由400μm增加到600μm时,液滴滑动角从31°增加至76°.当微柱直径从100μm增加到300μm时,液滴滑动角也会相应地从40°增加到80°.微柱阵列的表面黏附性随着结构参数(直径、间距、高度)的改变而发生变化.基于这种特性,我们设计了一种具有不同间距的微柱阵列,用来实现液滴滑动行为的控制,同时还可以实现液滴微反应等应用.这种制备方式不仅操作简便,而且适用性广,在微流体芯片、生物医学和化学微反应等领域具有潜在的应用价值.     

超高品质因子片上微腔光子学研究进展

光学微腔能够同时在空间和时间维度上约束光场,从而增强光与物质相互作用,被广泛用于基础光物理和光子学应用研究.其中,回音壁光学微腔具有超高的品质因子和很小的模式体积,是当前微腔研究的学术前沿.随着光学材料微纳加工和半导体芯片制备工艺的发展,超高品质因子回音壁光学微腔研究的重要趋势之一是片上集成化.例如,超高品质因子片上光学微腔已经在光子学芯片、集成光计算、片上光互联、光学精密测量等众多领域发挥着重要作用.本文重点介绍了片上回音壁光学微腔在微型激光器、非线性光学、集成光子学回路和高灵敏光学传感等研究中的基本原理、发展历程和最新进展;进一步展望了超高品质因子片上微腔光子学未来研究的发展方向.     

基于微丝的PDMS微流动通道制作技术

微流动通道是微流控芯片的重要组成部分, 其加工技术的每一步进化或简化一直为国际学术界与工业界所重视. 提出了一种基于微丝的PDMS微流动通道制作技术. 该技术利用一些简单的模具辅助固定和布置微丝, 然后将PDMS预聚物浇注于模具中浸没微丝并固化, 固化后抽出微丝形成PDMS微通道或通道阵列, 在与通道垂直的方向上打孔并封装, 形成与通道外部物质交换的接口. 实际制作通道时可采用商用化的金属微丝(如不锈钢微丝), 直径从100~20 μm不等. 较为详细地介绍了利用这种技术来构建多种拓扑结构的二维或三维通道或通道阵列, 例如直通道、交叉通道、弯曲通道等的能力. 进一步, 基于金属微丝的电磁特性, 这样的微通道制作工艺还被应用来构建出适于电磁控制和温度控制的微流动通道装置. 最后, 通过圆截面微通道的光路分析、微通道内粒子流动的图像测速(Micro-PIV)与微液滴形成实验及分析进一步印证了这种微流动通道制作技术的可行性和适用性.     

飞秒相干反斯托克斯Raman光谱技术与细胞识别的Raman光谱显微探针技术

飞秒相干反斯托克斯Raman光谱技术高分辨率飞秒相干反斯托克斯Raman光谱(CARS)的研究涉及非线性光学、激光光谱学、超快激光技术、量子光学、原子分子物理学及计算机优化控制理论与技术等学科领域。基于超快脉冲激光的整形、放大和压缩技术,利用飞秒整形激光脉冲与特定量子体系相互作用,产生非线性光学相干反斯托克斯Raman光谱(CARS),实现特定Raman模的选择相干抑制或增强,提高了Ra-man光谱的灵敏度、选择性、频谱分辨率和空间分辨率等,可望为材料科学和生物医药等领域的研究提供全新的技术和方法。Raman光谱技术是研究材料、生物医药…     

一阶自相关法测量飞秒激光脉冲时间宽度

在飞秒(fs)激光技术研究过程中,激光脉冲时间宽度的测量是不可缺少的.通常用二次谐波自相关法间接测量激光的脉宽,在脉宽为几十飞秒量级时,所用的倍频晶体和聚焦透镜必须非常薄,否则会引起飞秒脉冲的展宽.且当脉宽为几飞秒时,必须使用干涉测量法(如测量6fs),但所使用的倍频晶体KDP的厚度为32μm,这么薄的晶体,其加工的难度可想而知.本文实现了用一阶相关法(即线性相关法)测量飞秒脉冲时间宽度,其中相关仪的控制及实验数据的采集均由计算机完成,其时间分辨率达0.3fs.当被测的激光脉冲中心波长位于那些难以找到信频等非线性光学晶体的光谱区时,一阶相关法就更是必不可少.     

蓬勃发展的微纳米加工前沿技术——激光微纳制备

正微纳结构化材料是指在功能材料中引入微纳米尺度结构,以提升功能材料性能和拓展其新功能.功能结构的微纳米化不仅意味着能源与原材料的节省,而且带来多功能的高度集成和生产成本的大大降低.实现材料微纳结构化的基础是先进的微纳米加工技术,从晶体管到集成电路,从微电子到微机械与微流体,从微米技术到纳米技术,微纳米加工技术获得     

飞秒激光诱导钛表面可控微纳结构用于水下气泡操纵

针对典型金属材料钛,利用自主搭建的飞秒激光振镜扫描加工系统,加工了具有特定形貌特征的多尺度微纳结构.在此基础上对多尺度微纳结构的可逆润湿性及水下气泡操纵特性进行了实验探究,并从微观界面化学的角度阐释了可逆润湿性的调谐机理.研究结果表明:在飞秒激光烧蚀挤压作用下,钛表面诱导的多尺度微纳结构对原始表面的润湿性具有放大效应,固液接触角减小,水下气泡接触角增大;在辅助加热条件下,固液接触角增大,水下气泡接触角同时减小,气泡在表面完全铺展;随后将超疏水表面置于紫外灯下曝光,多尺度微纳结构上的液体接触角又开始减小,并最终实现了超疏水到超亲水性以及水下超亲气到超疏气的可逆调谐.另外,液体接触角与水下气泡接触角的可逆调谐特性呈现相反的变化趋势,这与固液气三相接触线的移动机制密切相关.本文对实现钛表面微纳结构设计与调控,提高具有可逆润湿性的金属表面在水下气泡操纵与收集,以及污水处理等领域的应用都具有重要意义.     

飞秒激光改性区选择性化学腐蚀加工光纤微纳结构传感器

光纤微纳结构传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰和灵敏度高等优点,已成为各领域不可或缺的传感器件.本文简要介绍了飞秒激光改性区选择性化学腐蚀加工光纤微纳结构的方法,并根据传感器工作原理,将所得传感器件分为干涉型、衍射型和复合型3种.重点阐述了各类型器件的结构和性能,并对运用该方法制作的光纤微纳结构进行总结和展望.     

阿秒激光脉冲的产生与操控

随着激光技术的发展,激光的脉宽不断减小.21世纪初,研究者首次突破飞秒的界限,在实验室产生了孤立的阿秒脉冲,由此打开了阿秒科学的大门.目前最短的激光脉宽达到了43 as,这为超快光学测量带来了前所未有的时间分辨率,阿秒科学也成为近20年来超快光学领域最重要的成就之一.虽然少周期驱动光、偏振选通、双色光等多种方案已经被用...     

精密度的追求

锁模飞秒激光产生的光频梳完全革新了光频率的计数技术。有了它们，只需要一步就可以将光学频率和微波频率连接起来，它们还提供了长期缺失的光学原子钟的钟表机构。通过扩展时间和频率的度量衡学的极限，它们使基本物理定律新的检验成为可能。通过用铯原子钟的微波频率对氢原子和其他原子的光学共振频率的精密比较，将确定基本物理常数可能的缓慢变化的灵敏度极限。光学高次谐波的产生将频梳技术扩展到极端紫外，开启了精密激光光谱学新的光谱领域。频梳技术也通过对超快激光脉冲的电场的控制成为阿秒(attosecond)科学的关键。     

阿秒脉冲产生的技术原理及进展

随着超短脉冲激光技术的快速发展,人们观察超快动力学的视野从飞秒领域跨入到阿秒领域.由于电子绕氢原子核转1圈的时间大约为1.5×10-16 s,即150 as,因此阿秒激光脉冲的出现为人类提供了打开原子内部动态世界大门的钥匙,成为21世纪激光物理与技术最重要的进展之一.经过多年的不断创新和突破,阿秒脉冲产生技术从最初只能...     

飞秒激光测控神经活动

飞秒激光双光子显微成像技术在神经科学研究中发挥着重要作用. 实验中采用自行改进的双光子成像技术探测大鼠皮层脑片神经元钙活动, 记录到自发以及电刺激、药物刺激诱导的钙活动, 同时记录到飞秒激光诱发的神经钙活动. 结果表明, 神经元钙升高的幅度与其对应电活动强度呈线性关系; 谷氨酸能够诱导神经元产生大幅度的钙升高, 但当多次刺激时其钙响应的幅度降低; 通过同时记录多个神经元的自发钙信号, 可以分析判断这些细胞属于不同的微回路; 飞秒激光能诱导细胞的局部钙升高和整体钙升高. 飞秒激光神经活动测量和控制方法具有非接触、无损伤、可精确重复的优点, 为进一步认识神经生物现象提供了行之有效的实验手段.