袁宏偉，饒生龍，吳 東，李家文，胡衍雷

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

1 引 言

近年來，微納米技術(shù)發(fā)展迅速，多種微納加工技術(shù)、微納結(jié)構(gòu)的制造得到了研究者的廣泛關(guān)注，并且取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。其中，可驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)在微納領(lǐng)域具有舉足輕重的地位，這些微結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在微流控技術(shù)[1]、智能傳感[2]、生物醫(yī)藥[3]和熱力學(xué)[4]等方面。可旋轉(zhuǎn)微結(jié)構(gòu)作為一種物理模型簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)方式靈活、制造方法多樣的模型，已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。2010年，Xia等通過在光刻膠中摻雜四氧化三鐵磁性納米顆粒，利用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了微型旋轉(zhuǎn)磁控推動(dòng)器件的加工[5]。2014年，Balk等研究者利用超聲波驅(qū)動(dòng)納米馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)推進(jìn)[6]。2018年，Shao等實(shí)現(xiàn)了對(duì)等離子體納米馬達(dá)的光驅(qū)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制[7]。

微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的加工制造可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)，如激光雙光子聚合技術(shù)[8]、化學(xué)合成法[9]和UV刻蝕法[10-12]等。由于飛秒激光雙光聚合具有加工精度高、可控性好、可實(shí)現(xiàn)真三維結(jié)構(gòu)加工等優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用于微納米器件的加工[13-16]。而微結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式也具有多樣性，如磁驅(qū)動(dòng)[17]、光驅(qū)動(dòng)[18]和超聲驅(qū)動(dòng)[6]等。其中，光驅(qū)動(dòng)的方式具有非接觸性、對(duì)被驅(qū)動(dòng)的對(duì)象損害小等優(yōu)點(diǎn)，而且光控制的系統(tǒng)易于集成，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中應(yīng)用方便。然而，到目前為止，可運(yùn)動(dòng)微結(jié)構(gòu)的加工和驅(qū)動(dòng)都是獨(dú)立進(jìn)行的，即微轉(zhuǎn)子的加工和驅(qū)動(dòng)需要兩套截然不同的系統(tǒng)來完成，這增加了加工成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，不利于微驅(qū)動(dòng)和微加工的高效率集成化。

本文提出了一種利用飛秒激光系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)微轉(zhuǎn)子加工和驅(qū)動(dòng)的方法。飛秒激光雙光子聚合技術(shù)可以制造出不同形態(tài)的微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator，SLM)可以靈活調(diào)制出不同拓?fù)浜傻臏u旋光場(chǎng)；帶有軌道角動(dòng)量的光場(chǎng)可以驅(qū)動(dòng)微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)順、逆時(shí)針以不同的速度旋轉(zhuǎn)。SLM通過動(dòng)態(tài)加載全息圖，可以靈活控制光場(chǎng)的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)微轉(zhuǎn)子的多種運(yùn)動(dòng)模式。這種微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以集成在芯片實(shí)驗(yàn)室中，多模式的光驅(qū)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在微流控技術(shù)、生物智能傳感、精密測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 加工系統(tǒng)與原理

2.1 飛秒激光加工系統(tǒng)與光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)

飛秒激光直寫技術(shù)經(jīng)過近二十年來的發(fā)展，已經(jīng)日臻成熟。將飛秒激光經(jīng)過物鏡聚焦至透明材料內(nèi)部，使得飛秒脈沖與材料相互作用而發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)的改變。該方法加工精度高、控制靈活、適用于加工制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。圖1(a)所示為飛秒激光直寫加工聚焦示意圖。入射激光通過物鏡聚焦至材料內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)三維加工的方式有兩種：第一種是通過控制高精度三軸移動(dòng)臺(tái)，保持入射光的位置不變，實(shí)現(xiàn)樣品的三維加工；第二種是使用高速掃描振鏡，對(duì)入射光進(jìn)行微小的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在二維方向上的運(yùn)動(dòng)，結(jié)合單軸位移臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維空間中的加工。本實(shí)驗(yàn)采用第二種方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的加工。

渦旋光是一種帶有軌道角動(dòng)量的光場(chǎng)，與置于光場(chǎng)中的物體作用會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的力學(xué)特性[19]。硅基液晶空間光調(diào)制器(Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulator， LCoS SLM)是一種純相位型調(diào)制器，它可以對(duì)入射激光的波前相位進(jìn)行調(diào)制，結(jié)合傅里葉變換全息理論，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值和解析光場(chǎng)的調(diào)制[20-21]。如圖1(b)所示，入射激光通過反射式LCoS SLM，其波前相位被調(diào)制；經(jīng)Lens1和Lens2組成的4f系統(tǒng)，對(duì)光束進(jìn)行縮放和濾波；再經(jīng)物鏡聚焦，在物鏡后焦面實(shí)現(xiàn)與加載相位對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)分布。

(a)飛秒激光加工系統(tǒng)聚焦示意圖(a)Illustration of focus processing of femtosecond laser processing system(b)飛秒激光相位調(diào)制系統(tǒng)示意圖(b)Schematic diagram of femtosecond laser phase modulation system圖1 飛秒激光加工系統(tǒng)Fig.1 Femtosecond laser processing system

2.2 渦旋光場(chǎng)的計(jì)算與仿真

渦旋光可以通過螺旋相位板產(chǎn)生。本文通過LCoS SLM加載螺旋相位因子全息圖，可以便捷、靈活地調(diào)制出不同的渦旋光束。入射波前的相位分布函數(shù)及其相位全息圖分布分別為：

Φl(θ)=exp(lθ)，

(1)

Gl(θ)=255·mod(Φl(θ)，2π)/2π，

(2)

式中：l是拓?fù)浜?，θ是相位分布函?shù)的極坐標(biāo)角度變量。由于LCoS SLM的調(diào)制方式需要加載8位灰度圖像，故這里通過式(2)將0～2π的相位轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的灰度分布。圖2(a)和2(b)分別是拓?fù)浜蔀?10和-10的渦旋相位分布灰度全息圖。

利用Debye衍射理論[22]，可以得到物鏡后的光場(chǎng)強(qiáng)度分布，其表達(dá)式為：

(3)

式中：C是常數(shù)，λ是入射波長(zhǎng)，n0是浸入介質(zhì)的折射率，α是物鏡的最大孔徑角。P(θ，φ)是和入射光的偏振狀態(tài)相關(guān)的矢量，其表達(dá)式為：

P(θ，φ)=[1+(cosθ-1)cos2φ]i+
[(cosθ-1)cosφsinφ]j+[sinθcosφ]k.

(4)

由此可以計(jì)算仿真出三維空間光場(chǎng)的強(qiáng)度分布。如圖2(c)所示，使用拓?fù)浜蔀?10的全息相位圖加載至LCoS SLM上，物鏡后焦面上得到的光場(chǎng)強(qiáng)度分布特征為含有光學(xué)軌道角動(dòng)量的環(huán)狀分布。圖2(d)是在物鏡后面沿光軸方向的光場(chǎng)強(qiáng)度分布。由圖可知，僅在焦平面上光強(qiáng)達(dá)到最大，離焦后光強(qiáng)迅速降低，這種光強(qiáng)分布特征有利于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。實(shí)際調(diào)制過程中，LCoS SLM會(huì)產(chǎn)生多個(gè)級(jí)次的衍射光，為了達(dá)到最好的調(diào)制效果，需要在渦旋相位全息圖上疊加閃耀光柵全息圖，將0級(jí)衍射光偏移。

(a)+10的渦旋相位全息圖(a)Phase holograms with topological charges of +10(b)-10的渦旋相位全息圖(b)Phase holograms with topological charges of -10(c)聚焦渦旋光在焦平面的光強(qiáng)分布仿真圖(c)Simulation diagram of light intensity distribution of focused vortex beam in focal plane(d)聚焦渦旋光在傳播方向的光強(qiáng)分布(d)Light intensity distribution of focused vortex beam in propagation direction圖2 渦旋相位全息圖及渦旋光的光強(qiáng)分布Fig.2 Phase holograms and light intensity distribution of vortex beam

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 微轉(zhuǎn)子加工

圖3(a)所示為四葉輪微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的三維示意圖。采用圖1(a)所示的飛秒激光直寫加工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的加工。加工實(shí)驗(yàn)所用激光的中心波長(zhǎng)為800 nm，脈沖重復(fù)頻率為80 MHz，飛秒脈沖的寬度為75 fs。實(shí)驗(yàn)前將SZ2080(Greece， IESL FORTH)光刻膠旋涂至蓋玻片表面，在100 ℃條件下保持1 h，以除去光刻膠中的水分。激光功率選擇5 mW，通過油鏡(NA1.35，60×)將光斑聚焦至光刻膠內(nèi)部，使得光刻膠發(fā)生雙光子聚合反應(yīng)。加工完成之后，將樣品置于正丙醇溶液中2 h進(jìn)行顯影處理，以除去未發(fā)生聚合反應(yīng)的光刻膠。圖3(b)～3(e)是含有不同葉輪數(shù)、不同扇葉尺寸的微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖。由電鏡圖可知，顯影后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的形貌基本一致，微轉(zhuǎn)子的質(zhì)量較好。通過修改加工程序，可以靈活地調(diào)整微轉(zhuǎn)子的尺寸、葉輪數(shù)等參數(shù)。

圖4所示為顯影完成的微轉(zhuǎn)子陣列結(jié)構(gòu)在乙醇溶液中的光學(xué)顯微鏡圖。在顯微鏡下可以明顯觀察到微轉(zhuǎn)子的葉輪部分與固定軸分離，外界液體環(huán)境的擾動(dòng)可以使活葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這種微轉(zhuǎn)子的加工效率高，結(jié)構(gòu)的一致性與重復(fù)性好。

(a)四葉輪微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)三維示意圖(a)Three-dimensional schematic diagram of a four-vane microrotor structure

圖3 微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖

Fig.3 Scanning Electron Microscope(SEM) images of microrotors

(a)四葉輪微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖(a)Optical micrographs of the four-vane microrotor structures with vane length of 7.5 μm(b)六葉輪微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在乙醇溶液中的光學(xué)顯微鏡圖(b)Optical micrographs of the six-vane microrotor structures with vane length of 7.5 μm

(c)四葉輪微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在乙醇溶液中的光學(xué)顯微鏡圖(c)Optical micrographs of the four-vane microrotor structures with vane length of 10 μm(d)六葉輪微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖(d)Optical micrographs of the six-vane microrotor structures with vane length of 10 μm圖4 微轉(zhuǎn)子陣列結(jié)構(gòu)在乙醇溶液中的光學(xué)顯微鏡圖Fig.4 Optical micrographs of microrotors in ethanol solution

3.2 微轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)

渦旋光具有軌道角動(dòng)量，可以用來驅(qū)動(dòng)微球及微結(jié)構(gòu)[23-25]。如圖5(a)所示，通過LCoS SLM加載全息圖，物鏡下可以調(diào)制出環(huán)形渦旋光場(chǎng)，環(huán)形區(qū)域作用于轉(zhuǎn)子葉輪部分，將光學(xué)軌道角動(dòng)量傳遞至葉輪，可以驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。攜帶軌道角動(dòng)量的光束具有螺旋性的波前形狀。當(dāng)光束作用于結(jié)構(gòu)時(shí)，相當(dāng)于以一定的螺旋傾斜角度入射到結(jié)構(gòu)表面，光在材料界面發(fā)生吸收和散射，從而將光子的動(dòng)量轉(zhuǎn)移到了結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)放置于乙醇溶液環(huán)境中，使用拓?fù)浜蔀?10與-10的全息圖產(chǎn)生渦旋光，圖1(b)中4f系統(tǒng)的透鏡焦距比例為L(zhǎng)ens1∶Lens2=2∶1，聚焦物鏡的數(shù)值孔徑為0.8，倍數(shù)為50×。通過顯微鏡的三維位移臺(tái)，可以調(diào)整聚焦光斑與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置。

(a)微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的光驅(qū)旋轉(zhuǎn)原理示意圖(a)Light-driven rotation schematic of microrotor structure(b)微轉(zhuǎn)子的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)示意圖(b)Optical image of clockwise rotation of the rotor(c)微轉(zhuǎn)子的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)示意圖(c)Optical image of counterclockwise rotation of the rotor圖5 微轉(zhuǎn)子光驅(qū)動(dòng)Fig.5 Light-driven rotation of microrotor

用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的光源與加工所用的飛秒激光相同，入射功率為300 mW。采用拓?fù)浜烧?fù)性不同的全息圖時(shí)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向不同。圖5(b)和5(c)所示分別為轉(zhuǎn)子在溶液中的旋轉(zhuǎn)圖，采用的全息圖拓?fù)浜煞謩e為+10和-10，圖中箭頭指向?yàn)檗D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向，實(shí)驗(yàn)測(cè)得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為40 r/s。值得注意的是，由于實(shí)驗(yàn)中利用的是毫瓦量級(jí)的激光進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能量較低，獲得的轉(zhuǎn)速較慢；另外，由于轉(zhuǎn)子由光學(xué)軌道角動(dòng)量驅(qū)動(dòng)，且該動(dòng)量沿渦旋光場(chǎng)切線方向，外界環(huán)境的擾動(dòng)容易導(dǎo)致微轉(zhuǎn)子葉輪偏移渦旋光的中心，從而影響驅(qū)動(dòng)效果。通過實(shí)驗(yàn)還可以看到，在物鏡焦平面生成的光漩渦直徑比理論計(jì)算值(見圖2(c))稍大。這是因?yàn)橥ㄟ^4f系統(tǒng)后光束直徑未完全覆蓋物鏡入瞳孔徑，造成物鏡的實(shí)際數(shù)值孔徑偏小而導(dǎo)致的。

實(shí)驗(yàn)表明，只需要?jiǎng)討B(tài)切換全息圖的拓?fù)浜删涂梢愿淖兾⑥D(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過改變?nèi)肷浼す獾墓β?、微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的尺寸，能夠靈活地實(shí)現(xiàn)不同的旋轉(zhuǎn)速度。

4 結(jié) 論

本文提出了一種利用飛秒激光同時(shí)進(jìn)行微轉(zhuǎn)子加工和驅(qū)動(dòng)的方法。利用飛秒激光直寫技術(shù)，通過雙光子聚合加工，可以靈活地加工出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量高、一致性好的三維微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；通過計(jì)算全息技術(shù)，利用LCoS SLM加載全息圖，可以調(diào)制出具有不同光學(xué)軌道角動(dòng)量的渦旋光場(chǎng)。將渦旋光場(chǎng)作用于微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子不同模式的運(yùn)動(dòng)。這種微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以集成在微流控芯片中，結(jié)合光驅(qū)動(dòng)的方式，可以用于微流量控制和傳感，在微流控系統(tǒng)、智能傳感和藥物運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。