利用动态多焦点激光制备微螺旋结构的方案

研究背景

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。

创新工作

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

结论与展望

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。