研究背景

微螺旋結(jié)構(gòu)在微機(jī)器人、手性超材料和生物工程等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，這些應(yīng)用都對微螺旋結(jié)構(gòu)的尺寸、形貌提出了較高要求。飛秒激光雙光子聚合（TPP）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米精度的真三維加工，十分適合制備上述這種具有復(fù)雜形貌的三維微結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)雙光子聚合技術(shù)采用單點(diǎn)直寫曝光方案制備微結(jié)構(gòu)，其效率較低。高效率加工需要昂貴、精密的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配合，這限制了相關(guān)制造技術(shù)的實(shí)用性。

近年來，光場調(diào)控技術(shù)的快速發(fā)展豐富了激光加工手段。結(jié)構(gòu)光場已被用于單次曝光快速制備微螺旋，但所設(shè)計(jì)的螺旋光場可調(diào)控性差，難以靈活調(diào)控微螺旋結(jié)構(gòu)的直徑、螺線數(shù)、螺距、手性和高度等參數(shù)。為了滿足大面積高精度的微螺旋結(jié)構(gòu)陣列制備，并且實(shí)現(xiàn)對其各參數(shù)的靈活控制，設(shè)計(jì)一種高效、靈活的微螺旋結(jié)構(gòu)制備方案具有重要的研究意義。

創(chuàng)新工作

天津大學(xué)超快激光研究室謝辰副教授團(tuán)隊(duì)基于改進(jìn)的Gerchberg–Saxton算法（G-S算法）設(shè)計(jì)了多焦點(diǎn)相位全息圖，經(jīng)空間光調(diào)制器（SLM）動(dòng)態(tài)加載后，配合線性位移臺可完成微結(jié)構(gòu)螺旋直寫，并可實(shí)現(xiàn)對多種特征參數(shù)的靈活調(diào)控。

為解決傳統(tǒng)飛秒激光雙光子聚合直寫過程中采用逐點(diǎn)掃描曝光而出現(xiàn)的低效率、高成本等問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)多焦點(diǎn)直寫方案，將螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)分解為x-y平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)和z軸的線性運(yùn)動(dòng)：通過動(dòng)態(tài)全息圖控制焦點(diǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)，再配合位移臺沿z軸作直線協(xié)同運(yùn)動(dòng)即可完成螺旋直寫。該方法免去了逐點(diǎn)掃描中對運(yùn)動(dòng)控制的嚴(yán)苛要求，同時(shí)節(jié)省了重復(fù)軌跡的曝光時(shí)間，在加工多重螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)大幅提高了加工效率。通過改變多焦點(diǎn)全息圖的參數(shù)，還可以靈活調(diào)控微螺旋的直徑、螺線數(shù)、螺線間距及手性等參數(shù)。

以雙螺旋為例，上述高效加工微螺旋的方案如下：首先，采用改進(jìn)的G-S算法設(shè)計(jì)了一系列的雙焦點(diǎn)全息圖，之后在加工過程中通過協(xié)同位移臺線性運(yùn)動(dòng)與全息圖的動(dòng)態(tài)加載，沿螺旋路徑同時(shí)曝光兩點(diǎn)（圖中綠色體元），進(jìn)而歷經(jīng)單次螺旋掃描后即可完成雙/多重螺旋微結(jié)構(gòu)的曝光。最后經(jīng)過相應(yīng)的顯影、定影工藝，加工出最終的微螺旋結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 多重微螺旋加工。(a)雙焦點(diǎn)加工方案；(b) 動(dòng)態(tài)雙焦點(diǎn)全息圖；(c)-(e) 加工樣例

考慮到微螺旋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等問題，該工作中還系統(tǒng)研究了相關(guān)的曝光參數(shù)。圖2展示了該方案所加工的若干種不同參數(shù)的多重微螺旋結(jié)構(gòu)，相應(yīng)結(jié)果證明該方案可以靈活控制微螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)，其加工效率隨著所加工的多重螺旋結(jié)構(gòu)螺線數(shù)N的增加呈現(xiàn)出N倍的提升。

圖2 不同曝光參數(shù)下，對應(yīng)的一、二、四、六和八重微螺旋陣列

結(jié)論與展望

本工作提出的多焦點(diǎn)并行直寫方案在微螺旋結(jié)構(gòu)加工的效率以及靈活性等方面具有一定優(yōu)勢，可以制備形貌豐富的微螺旋結(jié)構(gòu)。未來將進(jìn)一步在體元畸變和參數(shù)調(diào)控等方面開展研究，進(jìn)一步完善相關(guān)結(jié)構(gòu)的制備。