1 浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室，浙江 杭州 310027
2 浙江大学杭州国际科创中心，浙江 杭州 311215
3 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
针对双光子激光直写片上光子引线波导的纳米级对准需求，提出了基于导星数字匹配与纳米智能对准的方法，实现了高精度、高密度片上光子引线互联纳米结构3D直写加工。面向片上光子引线波导的背景与需求，设计了双光子直写光刻系统的光学系统结构，在硬件上设计了独特的导星，在算法上利用机器视觉的智能识别方法，精确定位了片上光子引线波导连接结构。所刻写的光子引线与硅片波导的平均偏差角度为0.19°，绝对位置平均对准精度为29 nm，标准差为17 nm。所提方案为实现高精度、高密度的光学片上互联提供了一种可行的方法，在芯片封装、多材料功能结构制备、复杂结构修饰等高精度加工领域有着重要的科学和应用意义。
光学设计 光刻 机器视觉 片上光子引线 波导加工 双光子激光直写
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
北京师范大学物理系 北京市应用光学重点实验室 北京 100875
20世纪90年代, 对于激光泵浦非线性晶体产生的纠缠双光子对之间的空间关联基本物理特征, Klyshko提出了一种有效场的描述方法, 称为超前波(advanced wave)。这样双光子光学的问题容易由传统的单光子光学来理解, 这也是人类认识自然规律的基本方法。但超前波解释成立的前提需要光路传播的脉冲响应函数满足一个基本关系, 本文对该基本关系成立的理论基础进行了讨论。
双光子纠缠态 超前波 脉冲响应函数 量子成像 two-photon entangled state advanced wave impulse response function quantum imaging 量子光学学报
2023, 29(3): 030102
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 张静 1,2温俊鹏 1,2朱喆 1,2韦小明 1,2,3,4,*杨中民 1,2,3,4,5
1 华南理工大学物理与光电学院，广东 广州 510640
2 华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，广东 广州 510640
3 华南理工大学广东省特种光纤材料与器件工程技术研究开发中心，广东 广州 510640
4 华南理工大学广东省光纤激光材料及应用技术重点实验室，广东 广州 510640
5 华南师范大学未来技术研究院，广东 广州 510006
双光子激发显微镜是研究脑神经元活动的重要工具。基于传统机械式逐点激光扫描技术的双光子激发显微镜成像速度较慢，无法进行脑神经元活动的实时观察研究。此外，高速双光子激发显微成像需要配置高重复频率飞秒激光，以保证在较短的像素停留时间内获得较高的信息强度。本文提出了基于声光偏转的并行GHz超快激光扫描技术，通过设计射频编码方案，在920 nm波段搭建了高速GHz超快激光扫描系统。通过调整时间和空间重合，最终在15~31 MHz频率范围内获得了33个可分辨的并行GHz超快激光扫描光束，为实现高速双光子激发显微成像提供了技术支撑。
双光子显微成像 声光偏转 高速激光扫描 飞秒激光 光学学报
2023, 43(23): 2318001
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 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室，上海 201800
3 中国科学院大学，北京 100049
铷87的双光子光谱具有高信噪比、无多普勒展宽、窄线宽等特点。构建了基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考，分析测试了影响其短期稳定度的因素。利用778 nm外腔半导体激光器激发双光子跃迁产生420 nm荧光信号，通过荧光信号锁定激光器频率。探讨了谱线线宽、信噪比、功率、温度相关的谱线展宽、光频移、系统结构稳定性和调制宽度等对频移和稳定度的影响。采用螺栓锁紧结构固定光学元件，大幅改善了光学对准引起的稳频误差，通过直接调制激光器电流实现了秒级稳定度为1.5×10-12、500 s稳定度为2.88×10-13的光学频率参考。与其他基于饱和吸收的光学频率参考相比，构建的基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考的稳定度提高了10~100倍。光学对准对于提高荧光探测信噪比和优化长期稳定度具有重要意义。验证了内调制实现双光子光学频率参考的可行性，并提出了进一步优化短期稳定度和长期稳定度可采用的技术方案。
激光器 双光子跃迁 激光稳频 光学对准 频率稳定度 中国激光
2023, 50(23): 2301013
强激光与粒子束
2023, 35(10): 102001
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
1 河北工业大学 电子信息工程学院 先进激光技术研究中心，天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
3 哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080
双光子荧光（two-photon fluorescence，TPF）显微成像技术借助荧光探针实现样品中被标记成分的特异性成像，具有天然的三维层析能力、高成像深度与空间分辨率、以及更小的光漂白与光损伤，已经发展成为化学、医药学和生命科学领域的一项重要研究工具。文中通过分析高斯光束复振幅在空间中的分布，推导出TPF信号的纵向与径向分布公式，以此估算出文中的TPF显微成像系统的横向分辨率为453 nm，纵向分辨率为2.087 μm。使用飞秒激光器作为激发光源，搭建了TPF显微成像系统。在800 nm波长的飞秒脉冲激发下，测量了罗丹明B溶液的TPF光谱，从而选择636~703 nm作为显微成像的荧光探测窗口。随后开展了对罗丹明B染色的小鼠大脑切片的TPF显微成像实验研究，利用断层扫描成像的方式获得了小鼠大脑切片在0~14 μm深度内的荧光强度分布。通过三维重构完成了对生物样品的三维立体成像，获得了小鼠大脑中灰质与白质在不同深度的分布情况，实验结果证明了搭建的显微成像系统具有优异的成像深度与空间分辨能力。
小鼠大脑切片 飞秒激光 双光子荧光 三维成像 mouse brain section femtosecond laser two-photon fluorescence three-dimensional imaging 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230201
