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(fù)雜三維微納功能器件的加工領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是，傳統(tǒng)的雙光子聚合加工技術(shù)是一種基于逐點(diǎn)掃描的串行加工技術(shù)，加工效率低，因此在實(shí)際生產(chǎn)中難以得到廣泛應(yīng)用。計(jì)算全息技術(shù)可以調(diào)制光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)靈活可控的光場(chǎng)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(yàn)證了這種技術(shù)的可行性并對(duì)相關(guān)工藝進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究;基于此完成了幾種功能微器件的設(shè)計(jì)、加工和應(yīng)用。
　　本論文首先進(jìn)行了空間光

2、調(diào)制技術(shù)和計(jì)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(duì)空間光調(diào)制器的光參量調(diào)制原理進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，分析了影響激光調(diào)制的因素;利用標(biāo)量衍射理論建立了空間光調(diào)制器的相位分布模型;詳細(xì)分析了幾種常用的計(jì)算全息算法及改進(jìn)型算法的原理和算法流程，比較了幾種算法在光強(qiáng)均勻性、光利用率等方面的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　在空間光調(diào)制和計(jì)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(yù)先設(shè)計(jì)的多焦點(diǎn)圖案陣列，實(shí)現(xiàn)了高

3、效并行雙光子聚合加工。利用多焦點(diǎn)并行直寫加工技術(shù)，進(jìn)行了高表面質(zhì)量的微透鏡陣列的高效加工并對(duì)微透鏡陣列進(jìn)行了光學(xué)性能測(cè)試，微透鏡尺寸精度為97.5％;實(shí)現(xiàn)了木堆型和螺旋形復(fù)雜三維光子晶體結(jié)構(gòu)的高效加工。對(duì)焦點(diǎn)的數(shù)量以及分布可進(jìn)行靈活控制。對(duì)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(shí)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(yàn)證了這種加工技術(shù)的可行性。飛秒激光被進(jìn)一步調(diào)

4、制為線形和面形光場(chǎng)，實(shí)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(jì)算表明，物鏡焦平面的光場(chǎng)分布對(duì)所加工結(jié)構(gòu)的形貌具有重要影響。實(shí)驗(yàn)研究表明長曝光時(shí)間和增大設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)貝塞爾光束的參數(shù)的靈活控制;利用飛秒貝塞爾光束實(shí)現(xiàn)了微環(huán)形結(jié)構(gòu)的單次曝光式加工。理論計(jì)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(shí)現(xiàn)了環(huán)形結(jié)構(gòu)尺寸的定

5、量控制而不需要對(duì)光路做任何改變。利用貝塞爾光束拉伸的方式進(jìn)行了微管道結(jié)構(gòu)的高效可控加工;實(shí)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(jì)算全息參數(shù)以及激光加工參數(shù)進(jìn)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(xì)胞研究領(lǐng)域的應(yīng)用:利用貝塞爾光束進(jìn)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(shí)現(xiàn)了老鼠纖維肌細(xì)胞及人體乳腺癌細(xì)胞的抓捕和釋放，相關(guān)成果對(duì)研究細(xì)胞在受限環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)