近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室在優(yōu)化飛秒激光多光子聚合（MPP）增材制造加工精度調(diào)控研究中取得研究進(jìn)展。
研究團(tuán)隊(duì)利用對光刻膠中引發(fā)劑濃度的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對聚合產(chǎn)物極限尺寸的有效控制，揭示了多光子聚合光化學(xué)反應(yīng)過程中的擴(kuò)散行為。相關(guān)成果發(fā)表在《光學(xué)材料》(Optical Materials)。
基于飛秒激光多光子聚合增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于微機(jī)電、微光學(xué)、生物結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的3D打印微納結(jié)構(gòu)制造。目前用于提升加工精度的主流技術(shù)路線是，提升光刻膠中的引發(fā)劑吸收截面以及調(diào)控激光焦斑的可聚焦程度，現(xiàn)階段其制造極限分辨率可達(dá)10nm量級(jí)。
課題組通過解析多光子聚合中的光-物理-化學(xué)反應(yīng)過程，認(rèn)為光刻膠中引發(fā)劑濃度與聚合反應(yīng)持續(xù)時(shí)間有關(guān)，并將最終影響聚合產(chǎn)物的極限尺寸。
研究人員選擇了光引發(fā)劑是六氟銻酸鹽小分子，單體是雙酚A型環(huán)氧樹脂大分子的SU-8光刻膠。
通過烘烤改變光引發(fā)劑的濃度，研究光引發(fā)劑在光刻膠中擴(kuò)散行為對最終聚合極限尺寸的影響規(guī)律。利用長焦距、單次飛秒脈沖曝光方法獲得了扁平化聚合物，精確表征了聚合物尺寸，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SU-8膠膜的溶劑含量從~7%下降到4%時(shí)，MPP產(chǎn)物的尺寸減小了~40%。
這種聚合尺寸優(yōu)化是源于溶劑含量減少導(dǎo)致的光致陽離子擴(kuò)散能力減弱，從而使聚合反應(yīng)被約束在了更小的尺度范圍內(nèi)。
該項(xiàng)研究成果為優(yōu)化MPP極限加工精度提供了一種新的研究思路，并且證明了在MPP過程中小分子擴(kuò)散是一種值得關(guān)注的本征過程，同時(shí)也為光刻膠優(yōu)化選擇和發(fā)展國產(chǎn)光刻膠提供了認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)。
該項(xiàng)研究獲得了國家自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。
圖1 （a）增加預(yù)烘烤時(shí)間以降低SU-8中的溶劑含量（b）長焦距、單脈沖曝光的扁平化MPP產(chǎn)物的正、側(cè)視圖及其高度信息
圖2 不同溶劑含量/曝光能量密度對應(yīng)的聚合點(diǎn)尺寸統(tǒng)計(jì)（a）（b）（c）（d）分別為能量密度為~0.72J/cm2時(shí)，溶劑含量分別對7.3%、5.1%、4.3%和3.2%的MPP聚合產(chǎn)物形貌
在高功率光纖激光橫模主動(dòng)控制方面取得新進(jìn)展
近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率光纖激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在高功率橫向模式可控激光器研究方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過基于隨機(jī)并行梯度下降算法（SPGD）的主動(dòng)模式控制的方式，成功實(shí)現(xiàn)了1.4 kW量級(jí)的LP01和LP11主動(dòng)模式控制與選擇的光纖激光器系統(tǒng)，相關(guān)研究成果發(fā)表于近期《光波技術(shù)雜志》（IEEE Journal of Lightwave Technology）。
基于大模場摻鐿光纖（LMA-YDF）的高功率光纖激光器具有很好的功率轉(zhuǎn)換效率和功率穩(wěn)定性，在許多領(lǐng)域具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。但是，由于大模場光纖的V值大于2.4，多種橫向模式會(huì)在光纖中并存。
更為嚴(yán)重的是，由于高功率和強(qiáng)泵浦引起的熱效應(yīng)會(huì)引起大模場光纖中的橫向模式不穩(wěn)定（TMI）現(xiàn)象，阻礙激光器功率的進(jìn)一步提升。如果能通過控制的方式實(shí)現(xiàn)大模場光纖中的各種橫向模式單獨(dú)激發(fā)，不僅能對模式不穩(wěn)定效應(yīng)進(jìn)行抑制，而且可以讓一臺(tái)激光器受控輸出不同的單橫模或橫模組合形式，從而滿足于特殊應(yīng)用場景。
在本項(xiàng)工作中，研究人員首先對主放大器的增益光纖進(jìn)行盤繞限模優(yōu)化，增加除LP01和LP11以外的高階模的損耗，實(shí)現(xiàn)1.4 kW窄線寬少模激光輸出。然后，以高功率光纖激光器輸出的LP01和LP11模式的強(qiáng)度分布特征為基礎(chǔ)，通過探測光斑的中心光強(qiáng)變化作為系統(tǒng)的評價(jià)函數(shù)，以區(qū)分不同的模式。
利用高速可編程門陣列（FPGA）來實(shí)現(xiàn)SPGA算法，產(chǎn)生4路反饋控制電壓信號(hào)，并將其加載到模式控制器之上。模式控制器中的壓電陶瓷（PZT）對預(yù)放光纖產(chǎn)生擠壓和應(yīng)力，改變光纖中各種橫向模式的配比。
當(dāng)這些模式注入到主放大器，利用放大器的模式競爭特性，實(shí)現(xiàn)不同橫模模式的受控功率放大。當(dāng)SPGD算法收斂到最大值時(shí)，激光器輸出LP01模式激光；當(dāng)SPGD算法收斂到最小值時(shí)，激光器輸出LP11模式激光。
通過對紅外相機(jī)采集到的光強(qiáng)分布進(jìn)行模式解構(gòu)處理，得出兩種情況下產(chǎn)生的LP01模式的光光效率為84.1%，LP11模式的光光效率為85.8%以上，兩種模式切換的轉(zhuǎn)換效率大于99.5%。
本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的1.4 kW的橫模可控光纖激光，在光鑷技術(shù)、原子捕獲、激光微加工等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。此外，寬帶寬的主動(dòng)模式控制系統(tǒng)也對以后開展光纖激光器模式不穩(wěn)定的研究提供了有利條件。
本研究得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
圖1 模式可控的光纖激光系統(tǒng)裝置圖
圖2 (a)、(c) SPGD算法最小值和最大值收斂后的紅外相機(jī)光場分布；(b)、(d) 模式重構(gòu)出的光場分布；(e) 各種本征模式占比
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