研究背景

微螺旋結構在微機器人、手性超材料和生物工程等領域有著重要應用，這些應用都對微螺旋結構的尺寸、形貌提出了較高要求。飛秒激光雙光子聚合（TPP）技術能夠實現(xiàn)亞微米精度的真三維加工，十分適合制備上述這種具有復雜形貌的三維微結構。傳統(tǒng)雙光子聚合技術采用單點直寫曝光方案制備微結構，其效率較低。高效率加工需要昂貴、精密的運動控制系統(tǒng)配合，這限制了相關制造技術的實用性。

近年來，光場調控技術的快速發(fā)展豐富了激光加工手段。結構光場已被用于單次曝光快速制備微螺旋，但所設計的螺旋光場可調控性差，難以靈活調控微螺旋結構的直徑、螺線數(shù)、螺距、手性和高度等參數(shù)。為了滿足大面積高精度的微螺旋結構陣列制備，并且實現(xiàn)對其各參數(shù)的靈活控制，設計一種高效、靈活的微螺旋結構制備方案具有重要的研究意義。

創(chuàng)新工作

天津大學超快激光研究室謝辰副教授團隊基于改進的Gerchberg–Saxton算法（G-S算法）設計了多焦點相位全息圖，經空間光調制器（SLM）動態(tài)加載后，配合線性位移臺可完成微結構螺旋直寫，并可實現(xiàn)對多種特征參數(shù)的靈活調控。

為解決傳統(tǒng)飛秒激光雙光子聚合直寫過程中采用逐點掃描曝光而出現(xiàn)的低效率、高成本等問題，研究團隊提出了相應的動態(tài)多焦點直寫方案，將螺旋軌跡運動分解為x-y平面內的圓周運動和z軸的線性運動：通過動態(tài)全息圖控制焦點的圓周運動，再配合位移臺沿z軸作直線協(xié)同運動即可完成螺旋直寫。該方法免去了逐點掃描中對運動控制的嚴苛要求，同時節(jié)省了重復軌跡的曝光時間，在加工多重螺旋結構時大幅提高了加工效率。通過改變多焦點全息圖的參數(shù)，還可以靈活調控微螺旋的直徑、螺線數(shù)、螺線間距及手性等參數(shù)。

以雙螺旋為例，上述高效加工微螺旋的方案如下：首先，采用改進的G-S算法設計了一系列的雙焦點全息圖，之后在加工過程中通過協(xié)同位移臺線性運動與全息圖的動態(tài)加載，沿螺旋路徑同時曝光兩點（圖中綠色體元），進而歷經單次螺旋掃描后即可完成雙/多重螺旋微結構的曝光。最后經過相應的顯影、定影工藝，加工出最終的微螺旋結構（圖1）。

圖1 多重微螺旋加工。(a)雙焦點加工方案；(b) 動態(tài)雙焦點全息圖；(c)-(e) 加工樣例

考慮到微螺旋的結構穩(wěn)定等問題，該工作中還系統(tǒng)研究了相關的曝光參數(shù)。圖2展示了該方案所加工的若干種不同參數(shù)的多重微螺旋結構，相應結果證明該方案可以靈活控制微螺旋結構參數(shù)，其加工效率隨著所加工的多重螺旋結構螺線數(shù)N的增加呈現(xiàn)出N倍的提升。

圖2 不同曝光參數(shù)下，對應的一、二、四、六和八重微螺旋陣列

結論與展望

本工作提出的多焦點并行直寫方案在微螺旋結構加工的效率以及靈活性等方面具有一定優(yōu)勢，可以制備形貌豐富的微螺旋結構。未來將進一步在體元畸變和參數(shù)調控等方面開展研究，進一步完善相關結構的制備。