摘要
飞秒激光双光子聚合技术能直接加工出具有亚微米精度的三维微纳结构，在微光学、微流控、微机械、细胞工程、组织工程等领域具有广阔的应用前景。然而传统双光子聚合技术使用逐点扫描的加工策略，因此加工速度低，难以实现三维微结构的高效制备。国内外学者利用空间光调制技术将飞秒激光聚焦光斑调制成点、面、体等光场，利用全息加工方法提高双光子聚合的加工效率。但目前的调制光场多基于迭代算法，该方法受调制元件和调制算法的限制，在传播方向难以保证较高的光束质量，这限制了双光子聚合技术的广泛应用。 针对上述问题，本学位论文提出基于结构光场的高效飞秒激光双光子聚合技术。结构光场具有精确的解析解和复振幅表达式，因此具有较好的传播方向光束质量，而且通过对振幅和相位等参数的调制和优化，可以实现结构光束的灵活调控，满足不同场合下的实际应用需求。因此，本论文在结构光场调制技术的基础上，研究基于贝塞尔结构光场、长焦结构光场和手性结构光场的三维微结构高效加工，并探究制备结构的具体应用。论文的主要研究内容有: 1.针对微管道结构制备速度慢的问题，提出基于环形贝塞尔光束的水凝胶微管道高效制备方法。基于波动方程在柱坐标系下的求解实现贝塞尔光束生成，并实现了水凝胶细胞支架高效制备，为微管道结构的大面积制备提供实践方法和理论依据。同时，针对传统贝塞尔光束形貌单一，难以制备复杂形貌微管道的问题，在贝塞尔光束调制的基础上，首次利用掩膜法调制出非对称的C形Bessel光束。研究了基于拓扑荷数、掩膜深度和可控直径等参数控制的C形Bessel光束的形貌控制方法，并和双光子聚合技术结合，实现了人造气孔和复杂形貌的微管道的快速制备，将加工效率提高两个数量级。同时，研究了制备的人造气孔的开闭特性和在物质捕获/释放中的应用。 2.针对高长径比微结构加工效率低、难以大规模制备的问题，提出基于球面波调制的长焦结构光场结合双光子聚合的方法，实现高长径比微结构的快速制备。研究基于球面波函数的长焦光束传播规律，并对其生成和调制方法进行优化。首次将长焦光束和飞秒激光双光子聚合相结合，通过长焦光束的单次曝光实现长径比高达70的微柱结构快速制备。该方法将高长径比类微结构的加工效率提升了400倍，并实现了毫米量级微结构阵列的快速制备，解决高长径比微结构加工速度慢的问题。此外高长径比微结构形貌可以通过调谐加工参数和光束参数进行灵活控制。针对长焦光束的光强振荡这一现象，在理论上基于能量守恒探究了光束的优化方法，在实验上利用闪耀光栅对相位进行编码，在纯相位空间光调制器实现振幅.相位复合调制，并取得了良好的优化效果。最后研究了制备的高长径比微结构在自组装、微捕获阵列、原子力显微镜探针等领域的应用。 3.针对三维手性微结构制备工艺复杂、效率低的问题，提出基于手性结构光场和毛细力辅助的自组装高效制备三维手性结构的方法。利用多束平行涡旋光束干涉生成离散的涡旋光束，将涡旋光的螺旋相位特征以光强形式表达，再通过高数值孔径物镜聚焦生成手性结构光场。研究基于手性结构光束的微螺旋结构高效制备方法，探究加工参数和光束参数对制备结构形貌的影响，利用单次曝光实现微螺旋结构的高效制备。研究微螺旋结构在毛细力作用下的组装过程，分析微结构的受力情况并进行仿真验证，利用自组装进一步提高手性结构的稳定性。最后研究手性结构在微纳机器人、微光学等领域的应用，展示了该方法的广阔应用前景。 本论文将结构光场调制技术和双光子聚合加工技术相结合，实现了微结构的高效制备，展示了该方法在微机械、微光学、细胞工程和仿生等领域的应用潜力，证明了该方法在提高双光子加工效率方面的重要意义，为大面积、高通量的微纳结构制备提供思路和方法。
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