飞秒激光双光子聚合技术凭借其亚波长加工能力

在微纳制造领域，飞秒激光双光子聚合技术凭借其亚波长加工能力，已成为制备功能性微器件的关键手段。然而，传统单点扫描策略效率低，例如加工一个毫米级的微型花朵阵列需要数小时，严重制约了产业化应用。

现有的并行加工技术（如多光束干涉、微透镜阵列）虽能提升速度，但存在焦点位置固定、加工自由度不足的缺陷，仅适用于周期性结构的制备，无法灵活调控复杂三维形貌。例如，在生物医学领域，制造“张闭可控"的微执行器时，传统方法难以实现动态光场与运动平台的协同控制，导致结构功能受限。因此，如何兼顾高精度、高效率与多自由度加工，是该领域亟待突破的瓶颈问题之一。

针对传统飞秒激光加工效率低、自由度不足的难题，“动态全息协同三维位移平台"的复合加工策略，通过三阶段技术突破实现高效灵活的三维微结构制备，为复杂微结构的高效制备提供了新范式。

首先，基于液晶空间光调制器直接生成对称艾里光束，并通过实时切换旋转全息图（帧率60 Hz）实现动态连续加工。例如，通过旋转全息图并控制曝光时间，仅需1.4 s即可制备出8瓣花朵结构，效率较传统逐点扫描提升数十倍（图1）。光场的动态旋转不仅补足了加工中的角度自由度，还显著降低了对高精度位移台的依赖，简化了设备复杂度。

图1 动态全息加工示意图。（a）全息图旋转实现动态加工；（b）不同旋转角度下的全息图；（c）全息图旋转不同角度时，物镜下光场分布的实测图

其次，结合毛细力自组装技术，通过调控溶液环境中的表面张力效应，实现微花朵的“张开-闭合"功能化行为（图2）。优化激光参数（辐照强度70 mW，曝光时间0.7秒）后，显影液蒸发时花瓣受毛细力牵引闭合，形成包裹能力更强的微执行器原型，为药物递送和微操作提供了新思路。

图 2 利用液体控制张闭的微花朵结构。（a）液体中张开的微花朵；（b）溶液蒸干后闭合的微花朵

最后，创新性地将动态全息光场旋转与三维位移台的直线或圆周运动结合，通过轨迹叠加实现复杂三维结构的高效制备（图3）。例如，光场旋转（角速度ω₀）与平台直线运动（速度v_x, v_y）的矢量叠加，可快速加工出螺距可调的微弹簧及多瓣环形结构。实验表明，复合加工技术可实现微弹簧结构的高效制备，且结构一致性达亚微米级。

图3 动态全息复合加工示意图。 (a)全息图旋转运动协同位移台平行运动; （b）不同旋转角度下的全息图

技术优势方面，本工作凸显三大亮点：一是高效性，动态全息单次曝光替代逐点扫描，将加工速度提升至秒级；二是灵活性，光场参数（如二次系数、旋转角度）与位移台运动协同调控，支持多样化的三维设计；三是低成本，通过软件编程实现复杂光场，减少对高精度硬件的依赖，显著降低设备投入。这些突破为微纳制造提供了兼具效率与精度的新方案。

未来研究将聚焦于单次曝光生成任意三维结构的全息算法开发，结合深度学习优化光场设计与相位调控；同时拓展技术至生物兼容材料与柔性电子器件制造，开发可响应外界刺激（如温度、pH值）的智能微结构。

此外，探索动态全息技术在微机器人、光学超表面等领域的应用潜力，推动微纳制造从实验室向产业化迈进。通过多学科交叉与技术创新，进一步释放飞秒激光动态全息加工在精密工程与功能器件中的核心价值。

参考文献： 中国光学期刊网

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