1 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819
2 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819
3 河北省微纳精密光学传感与检测技术重点实验室，河北 秦皇岛 066004
将光纤法布里-珀罗（法珀）微腔与微波导相结合，提出一种光纤法珀微波导腔高灵敏度折射率传感器。光纤法珀微腔可以将光场限制在微米量级的区域内，并对腔内的微波导结构起支撑保护作用；微波导在保证结构良好导光能力的同时，基于其强倏逝场特性，进一步提升整体结构的折射率灵敏度。此外，基于飞秒激光双光子聚合高精度3D打印技术，可实现波导直径仅为2 μm的光纤法珀微波导腔，并保证良好的制备重复性。实验结果表明：随着光纤法珀微波导腔传感器腔内液体折射率的增加，传感器的干涉光谱发生蓝移，在1.3346~1.3764折射率范围内灵敏度可达525.81 nm/RIU，与仿真获得折射率灵敏度（555.14 nm/RIU）结果接近；该传感器还展现了优良的线性响应特性，线性拟合系数可达0.9948；相比于传统无微波导的光纤法珀微腔结构，干涉光谱峰值提升了8.2 dB，折射率灵敏度提升了近4倍。
光纤传感器 光纤法珀微波导腔 微波导 双光子聚合3D打印 折射率
1 中国信息通信科技集团有限公司 a.光通信技术和网络全国重点实验室；b.国家信息光电子创新中心，武汉 430074
2 鹏城实验室，广东 深圳 518000
超表面是一种周期性亚波长人工结构薄层，其与入射电磁波共振耦合所引入的相位突变打破了传统光学对空间光程累计的依赖，表现出独特的电磁学特性。过去10年来，超表面以其优于传统光学元件的超薄厚度、超短调制距离和超高分辨率光波操纵能力受到研究者们的广泛关注。并且作为超材料的二维对应物，超表面更易于被制造和集成到器件中，可以工作在微波到可见光波长范围内。常用于超表面的制造工艺包括紫外光刻、电子束光刻、聚焦离子束光刻和纳米压印等，但超表面的大规模应用仍面临加工精度与大面积、大规模制造和加工成本之间的矛盾。基于飞秒脉冲激光和双光子聚合反应的双光子三维（3D）打印技术可以实现高精度、复杂3D模型和无掩膜的一步制造，具有加工便捷和灵活的优点，以及大面积制造的潜力，被广泛应用于超表面结构研究与制备。文章对基于双光子3D打印技术制备的超表面光器件的近期研究工作进行了综述。文章首先概述了超表面的概念、优势及加工方法，然后介绍了双光子3D打印技术的原理、发展历程和工艺优势，随后分类综述和讨论了表面等离激元超表面、超透镜、超表面纳米显示与图像处理和与光纤端面集成超表面的近期研究工作，最后对基于双光子3D打印技术的超表面光器件进行了评论与展望。
超表面 双光子聚合 三维打印 光器件 表面等离激元 metasurface two-photon polymerization 3D printing optical device surface plasmons
天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室 & 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
微螺旋结构在微机器人、手性超材料中有重要应用，不同的应用对螺旋结构有着不一样的要求。基于飞秒激光双光子聚合技术可以直写任意三维微结构，然而，单焦点逐点直写的效率较低。基于结构光场的单步曝光方案能够实现高效制备，但目前受限于复杂而专业的光场调控技术，仅能制备较有限的微螺旋结构。针对微尺度多螺旋结构，本文提出了一种基于动态多焦点的制备方案。该方案将光斑的螺旋运动轨迹分解为由动态全息图控制的圆周运动和由z轴位移台控制的线性扫描，最终成功制备了直径、螺线数、螺距与手性等特征灵活可控的多重微螺旋结构。所提微螺旋结构制备方案兼具经济性及高效灵活的优势，对于微机器人、手性超材料和生物工程等领域的相关研究具有较大的参考价值。
激光技术 微螺旋 双光子聚合 多焦点 空间光调制器 中国激光
2023, 50(24): 2402402
1 中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室，有机纳米光子学实验室，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 101407
双光子聚合加工技术是基于双光子吸收效应的一种新型的微纳制造技术，已被广泛应用于微纳光子学、微机电系统、组织工程等领域。采用双光子聚合加工技术制备的3D水凝胶微结构形貌可控，而且具有高精度、适当的刚度以及良好的生物相容性等优势，可以更好地在体外模拟体内微环境，因而在生物医学领域展现出了巨大的应用潜力。本文简要介绍了双光子聚合加工技术的原理，综述了水溶性光引发剂的研究进展，着重介绍了双光子聚合加工技术制备水凝胶的研究现状及其在仿生学、生物医学等领域的应用。
材料 双光子聚合 水凝胶 生物相容性 微结构 细胞支架 组织工程 中国激光
2023, 50(21): 2107401
Author Affiliations
Abstract
Ultrafast Laser Laboratory, Key Laboratory of Opto-electronic Information Technical Science of Ministry of Education, School of Precision Instruments and Opto-electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
The manipulation of structured light beams requires simultaneous spatial modulation of amplitude and phase. Based on the double-phase holography (DPH) algorithm, we demonstrate an efficient reconstruction of Bessel beams with arbitrary on-axis intensity. Also, the off-axis DPH method enables more than doubled laser energy utilization compared with the widely-used off-axis phase wrapping modulation method. The DPH algorithm is also used in two-photon polymerization to enable the rapid fabrication of microtube arrays, ortho-hexagonal scaffolds, and 2D patterned microstructures. This work gives experimental proof to show the powerful feasibility of the DPH method in constructing economic adaptive laser processing systems.
double-phase hologram structured beam two-photon polymerization Chinese Optics Letters
2023, 21(11): 110002
1 沈阳化工大学信息工程学院，辽宁 沈阳 110027
2 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳 110016
3 中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110016
4 中国科学院大学，北京 100049
微型软体机器人通常具有结构尺寸小、柔性可变形等特征，在生物传感以及靶向载药等方面具有广阔的应用前景。刺激响应型水凝胶材料对外界刺激具有膨胀收缩的能力，是一种优异的微型软体机器人本体材料。目前针对提升微型软体机器人变形能力的研究主要聚焦于材料性能的提升和加工工艺的优化上，而通过微型软体机器人关节结构优化来提升其变形性能的研究相对较少。鉴于此，笔者提出了一种基于双光子聚合加工的双层膜弧形关节的设计方法，有效提升了双层膜关节的形变能力。通过改变双光子聚合过程中的激光功率和扫描速度，可有效调节pH响应材料的溶胀响应特性，进而获得双层膜关节的变形或驱动能力。进一步，笔者制备了圆心角不同的双层膜弧形关节，结果表明：不同圆心角的双层膜弧形关节在pH响应下的形变能力具有明显差异，当圆心角为240°时形变率最大，形变率是传统直角形双层膜关节的6.73倍。基于双层膜设计和构建的弧形关节具有良好的稳定性和形变能力，为微型机器人的高效驱动提供了新的设计思路。
激光技术 双光子聚合 微尺度 双层膜 变形性能 中国激光
2023, 50(20): 2002402
1 中国科学技术大学工程科学学院，安徽 合肥 230026
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009
3 合肥工业大学材料科学与工程学院材料物理及新能源材料与器件系，安徽 合肥 230009
模板引导的毛细力驱动自组装技术逐渐被认为是制造一系列微纳米结构的一种替代方法。毛细力自组装微结构的稳定性取决于结构接触力和支撑力的竞争，接触面积越大，接触力越大。当接触面积大于临界值时，微结构的组装行为不可逆。利用飞秒激光打印具有各向异性的微结构，在不同温度的调控下实现其多方向运动，并借助温度响应水凝胶的反向变形能力，实现了线接触微结构的可逆自组装。此外还探究了该方法在微执行器、微传感器方向的应用。结果表明，通过改变环境的温度能够实现微结构的弯曲变形，且利用飞秒激光双光子加工的灵活性和毛细力驱动的简便性，可以实现可逆变形的微图案以及功能丰富的微传感结构。
激光技术 飞秒激光 双光子聚合 毛细力 自组装 温度响应 中国激光
2023, 50(20): 2002401
1 哈尔滨工业大学（深圳）微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室，广东 深圳 518055
2 哈尔滨工业大学（深圳）广东省半导体光电材料与智能光子系统重点实验室，广东 深圳 518055
首先简述了双光子聚合3D打印技术的原理及特点；然后介绍了3D打印的衍射光栅、光子晶体、仿生结构及单个微纳结构等代表性结构色方案，并重点回顾了立体、动态结构色信息的呈现方式及其在光学防伪、信息存储和光学传感等领域中的应用；最后总结了双光子聚合3D打印技术的研究现状及存在的问题，并对其未来的研究方向及应用前景进行了展望。
激光技术 3D打印 双光子聚合 结构色立体信息 动态结构色 中国激光
2023, 50(18): 1813007
Author Affiliations
Abstract
1 University of Freiburg, Department of Microsystems Engineering, Laboratory for Micro-Optics, Freiburg, Germany
2 GRINTECH GmbH, Jena, Germany
3 University of Freiburg, Department of Microsystems Engineering, Microsystems for Biomedical Imaging Laboratory, Freiburg, Germany
One-dimensional Airy beams allow the generation of thin light-sheets without scanning, simplifying the complex optical arrangements of light-sheet microscopes (LSMs) with an extended field of view (FOV). However, their uniaxial acceleration limits the maximum numerical aperture of the detection objective in order to keep both the active and inactive axes within the depth of field. This problem is particularly pronounced in miniaturized LSM implementations, such as those for endomicroscopy or multi-photon neural imaging in freely moving animals using head-mounted miniscopes. We propose a new method to generate a static Airy light-sheet with biaxial acceleration, based on a novel phase profile. This light-sheet has the geometry of a spherical shell whose radius of curvature can be designed to match the field curvature of the micro-objective. We present an analytical model for the analysis of the light-sheet parameters and verify it by numerical simulations in the paraxial regime. We also discuss a micro-optical experimental implementation combining gradient-index optics with a 3D-nanoprinted, fully refractive phase plate. The results confirm that we are able to match detection curvatures with radii in the range of 1.5 to 2 mm.
light-sheet microscopy Airy beam accelerating beams field curvature two-photon polymerization Advanced Photonics Nexus
2023, 2(5): 056005
Author Affiliations
Abstract
1 Ultrafast Laser Laboratory, Key Laboratory of Opto-electronic Information Technical Science of Ministry of Education, School of Precision Instruments and Opto-electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2 FEMTO-ST Institute, Université de Bourgogne-Franche-Comté UMR-6174, 25030 Besançon, France
In the femtosecond two-photon polymerization (2PP) experimental system, optical aberrations degrade the fabrication quality. To solve this issue, a multichannel interferometric wavefront sensing technique is adopted in the adaptive laser processing system with a single phase-only spatial light modulator. 2PP fabrications using corrected high-order Bessel beams with the above solution have been conducted, and high-quality microstructure arrays of microtubes with 20 µm diameter have been rapidly manufactured. The effectiveness of the proposed scheme is demonstrated by comparing the beam intensity distributions and 2PP results before and after aberration corrections.
femtosecond laser two-photon polymerization aberration correction Bessel beams Chinese Optics Letters
2023, 21(7): 071203
