基于空间光调制器的飞秒激光双模式快速加工

飞秒激光双光子聚合加工技术具有高精度、真三维、工艺简单等特色,可以实现分辨率突破光学衍射极限的微纳米三维结构的打印,被广泛用于聚合物、有机-无机混合材料、生物相容材料的加工。但是该加工技术基于逐点格栅扫描的加工模式加工效率较低,限制了其进一步应用。

中国科学技术大学精微纳米工程实验室吴东教授课题组利用空间光调制技术将光场调制为一个图形化光场,从而进行单次曝光加工,这种加工方式极大提高了二维图形化结构的加工效率。但是,单纯使用空间光调制器调制出的图形化光场会受到斑点噪声的影响,因此该课题组又提出通过一种时域平均的方法来消除斑点噪声,得到信噪比较好的图形化光场(如图1),再进行曝光加工,从而实现了高质量二维结构的图形化光场投影加工。

  

图1 图(a)(b)(c)为SLM生成图形化光场,(d)(e)(f)为时域平均后的图形化光场

图2 SLM控制单点扫描得到的里约奥运会LOGO

图形化光场投影加工虽然可以快速加工二维微纳米结构,但是缺乏加工三维结构的能力,针对这一缺陷,该课题组通过在空间光调制器上加载驱动信号,可以控制焦点在三维方向上的移动,同时,通过对闪耀光栅和球面波因子函数的编码排序,实现了飞秒激光焦点沿着预设的三维路线上的可控扫描加工,并对扫描工艺参数进行了定量化研究,从而实现了三维结构的单点扫描加工(如图2)。

该课题组通过提出基于空间光调制技术的单点扫描加工和图形化投影加工双模态加工方式,成功在保留三维微纳米加工能力的基础上,提高了实际的加工效率。下一步将进一步深入研究将焦点控制扫描加工与图形化面型光场曝光加工相结合的方式,应用到快速加工一些包含二维和三维的复杂的微纳结构领域。

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