具有像差校正的飞秒高阶Bessel光束的双光子聚合

据中国激光杂志社网，于2023年10月19日报道，双光子聚合（2PP）广泛用于制造具有亚微米级分辨率的三维复杂结构，已在量子点、扫描探针显微镜、微芯片和仿生4D打印等领域展示出应用潜力。基于2PP的常规3D打印系统利用紧聚焦飞秒激光束引发光刻胶内部的聚合反应。近年来，多种结构光场（如Bessel光束、Optical Vortex光束、Abruptly Autofocusing光束以及具有长焦深的Axilens光束等）在双光子3D打印中的应用大幅提升了加工效率，因用以产生丰富形貌结构光场的自适应光学方案而受到广泛关注。这类应用的特色在于以特定算法生成的全息图（CGH）、通过空间光调制器（SLM）即可产生结构化的光场，从而以高度定制化图案进行单次曝光的方式提高制备效率。

Bessel光束因其无衍射和自恢复行为而成为最备受关注的结构光之一，而高阶Bessel光束还具备合成更复杂结构光场的潜力。基于上述特点，高阶Bessel光束已被广泛应用于微纳制造、生物成像、光镊、光通信等领域。

然而，在结合了超快激光器和自适应光学器件的2PP实验装置中，许多因素会导致出现像差，例如非线性晶体中的走离效应、自适应器件的内应力或非线性响应，以及光学元件的制造缺陷或装配误差等。由于高阶Bessel光束的图案对像差极为敏感，实验装置中的高阶Bessel光束极易产生畸变。截至目前，研究人员已经提出多种手段来帮助消除光学系统中的像差，而SLM是这些自适应方法中的关键装置。这些解决方案均使用了相对复杂的数学工具，比如Zernike多项式、Gerchberg-Saxton或更复杂的算法。这些高级数学方法通常仅由一些专业化的团体所掌握，因此激光处理领域的工作者对激光制造光场进行高效的波前校正。

为解决上述问题，天津大学谢辰副教授课题组与法国国家科研中心（CNRS）FEMTO-ST研究所的Francois Courvoisier研究员课题组，合作展示了一种简单易行的多通道干涉波前传感技术，在基于2PP的3D打印系统中有效校正光场畸变。相关成果发表在Chinese Optics Letters 2023年第21卷第7期。

“经系统传输的光场可以分解为一组相互正交的光模式组合。当所有模式呈现相同相位时，即可实现最佳聚焦。此时，模式之间的相长干涉强度最高。”从事此项工作实验部分的贾而穑博士生如是解释背后的原理。基于这样的理解，采用一个可编程的SLM即可将2PP系统中的光场分解为M×N个正交通道。再令其中的基准通道相继与其他通道干涉，即可立即生成补偿波前。该方法只需掌握大学物理知识即可实现，并且无需昂贵的波前传感器，图1所示。

观察到高质量的重建校正光束后，该工作采用双光子聚合加工的方式进一步证明了像差校正的可行性。作者利用校正前后同样参数的高阶Bessel光束分别制备了微管结构，并进行了对比。SEM结果显示，由于无衍射区域的Bessel光束未被校正，圆柱形微管发生了严重变形。而消除像差产生的畸变后，所制造的微管单元具有更高圆度、更均匀壁厚以及更加陡峭的侧壁。这一系列制造质量的差异可归因于畸变的高阶Bessel光束引起的非均匀能量沉积，进而引起非均匀的结构性收缩，图2所示。

该工作证明了基于自适应光学元件的多通道干涉波前探测对于提高双光子聚合加工质量的可行性。在不需要额外波前传感器的情况下，上述方案即可消除输入光束中超过4π的波前起伏，使得经过校正后高阶Bessel光束的制造质量得到明显改善。谢辰副教授认为，虽然该工作仅针对高阶Bessel光束进行了验证，但所集成的波前探测-校正技术对基于结构光场的微纳制造系统是广泛适用的。并且，由于采用的波前探测技术无需复杂的数学工具，这种简单易懂的方案将极大推动自适应光学在激光加工中的应用普及，尤其适用于需要精确定义波前的应用场景，如飞秒激光诱导的周期性表面结构等应用。此外，利用复振幅调制对光场精细特征进行校正的工作也在进行中。

通讯作者：

谢辰，天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授。2013年博士毕业于天津大学精密仪器与光电子工程学院，2013-2015年在法国国家科研中心（CNRS）FEMTO-ST研究所以博士后身份参与科研工作，2015年起在天津大学超快激光研究室成立了结构光课题组，基于自主设计搭建的飞秒激光器及微纳加工系统，开辟了结构光场调控、超快结构光学及材料处理等研究方向。