本文为中国激光第3306篇。欢迎点击在看、转发，让更多人看到微螺旋结构在微机器人、手性超材料和生物工程等领域有着重要应用，这些应用都对微螺旋结构的尺寸、形貌提出了较高要求。飞秒激光双光子聚合（TPP）技术能够实现亚微米精度的真三维加工，十分适合制备上述这种具有复杂形貌的三维微结构。传统双光子聚合技术采用单点直写曝光方案制备微结构，其效率较低。高效率加工需要昂贵、精密的运动控制系统配合，这限制了相关制造技术的实用性。近年来，光场调控技术的快速发展丰富了激光加工手段。结构光场已被用于单次曝光快速制备微螺旋，但所设计的螺旋光场可调控性差，难以灵活调控微螺旋结构的直径、螺线数、螺距、手性和高度等参数。为了满足大面积高精度的微螺旋结构阵列制备，并且实现对其各参数的灵活控制，设计一种高效、灵活的微螺旋结构制备方案具有重要的研究意义。天津大学超快激光研究室谢辰副教授团队基于改进的Gerchberg–Saxton算法（G-S算法）设计了多焦点相位全息图，经空间光调制器（SLM）动态加载后，配合线性位移台可完成微结构螺旋直写，并可实现对多种特征参数的灵活调控。为解决传统飞秒激光双光子聚合直写过程中采用逐点扫描曝光而出现的低效率、高成本等问题，研究团队提出了相应的动态多焦点直写方案，将螺旋轨迹运动分解为x-y平面内的圆周运动和z轴的线性运动：通过动态全息图控制焦点的圆周运动，再配合位移台沿z轴作直线协同运动即可完成螺旋直写。该方法免去了逐点扫描中对运动控制的严苛要求，同时节省了重复轨迹的曝光时间，在加工多重螺旋结构时大幅提高了加工效率。通过改变多焦点全息图的参数，还可以灵活调控微螺旋的直径、螺线数、螺线间距及手性等参数。以双螺旋为例，上述高效加工微螺旋的方案如下：首先，采用改进的G-S算法设计了一系列的双焦点全息图，之后在加工过程中通过协同位移台线性运动与全息图的动态加载，沿螺旋路径同时曝光两点（图中绿色体元），进而历经单次螺旋扫描后即可完成双/多重螺旋微结构的曝光。最后经过相应的显影、定影工艺，加工出最终的微螺旋结构（图1）。
图1 多重微螺旋加工。(a)双焦点加工方案；(b) 动态双焦点全息图；(c)-(e) 加工样例
考虑到微螺旋的结构稳定等问题，该工作中还系统研究了相关的曝光参数。图2展示了该方案所加工的若干种不同参数的多重微螺旋结构，相应结果证明该方案可以灵活控制微螺旋结构参数，其加工效率随着所加工的多重螺旋结构螺线数N的增加呈现出N倍的提升。图2 不同曝光参数下，对应的一、二、四、六和八重微螺旋阵列本工作提出的多焦点并行直写方案在微螺旋结构加工的效率以及灵活性等方面具有一定优势，可以制备形貌丰富的微螺旋结构。未来将进一步在体元畸变和参数调控等方面开展研究，进一步完善相关结构的制备。天津大学超快激光研究室成立40余年，长期专注于超快激光技术，在该领域具有较高国际影响力，获得过包含国家科技进步二等奖、教育部科技进步和技术发明一等奖等诸多奖项，多位毕业生获得国家级人才项目资助。团队成员通过自研超快激光器构建了多项超快激光应用平台，开展了精密测距、微纳加工和生物光子学等研相关方向的研究。其中，成立于2015年的结构光课题小组近年开展了结构光场调控、超快结构光学及材料处理等研究工作。谢辰，天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授，硕士生导师。多年来从事超快激光技术与应用方面的研究工作，主要方向为超快光纤激光器、结构光场调控及材料处理等。主持国家自然科学基金项目2项，以第一/通信作者在Light: Science & Applications、Optics Letters、Optics Express、Applied Physics Letters等期刊发表学术论文十余篇，在本领域具有国际影响力的会议CLEO、CLEO Europe、CLEO-PR、Photonics West等多次报告相关工作。期刊简介：
《中国激光》创刊于1974年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办、中国激光杂志社出版，是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊。2021年改为半月刊，并开始出版“英文长摘要”以提高期刊论文的国际传播力。2021年和2022年分别打造“前沿激光制造”专题刊和“生物医学光子学”专题刊。
《中国激光》目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。多次获得“百强科技期刊”“百种中国杰出学术期刊”“中国精品科技期刊”和“中国最具影响力学术期刊”等称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。
“前沿激光制造”专题刊聚焦国内外激光制造领域的优秀成果，通过快速报道领域内的动态与发展趋势，推动激光制造领域的产学研创新发展。专题刊发文涵盖“激光微纳制造”“激光增材制造”“激光成形制造”“激光表面加工”，每年出版6~8期，平均外审周期21天，录用周期50天。
编辑 | 沈灵灵
封面 | 高速并行的双光子激光直写技术
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