在微納制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的當(dāng)下，傳統(tǒng)微加工技術(shù)的工藝短板逐漸凸顯。以光刻、微注塑、單光子光固化為代表的傳統(tǒng)工藝，長期受光學(xué)衍射效應(yīng)、逐層成型工藝限制，僅能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)結(jié)構(gòu)加工，且難以完成復(fù)雜懸空、鏤空、內(nèi)嵌三維結(jié)構(gòu)的一體化制備，無法適配微光學(xué)、微機(jī)電、生物醫(yī)療、光子晶體等前沿領(lǐng)域?qū){米級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的制造需求。飛秒激光雙光子聚合技術(shù)依托獨(dú)特的非線性光學(xué)作用機(jī)制，打破傳統(tǒng)制造的尺度束縛，成為當(dāng)前納米三維制造領(lǐng)域適用性很強(qiáng)的先進(jìn)工藝，為微小精密器件的研發(fā)與量產(chǎn)提供了全新技術(shù)路徑。
飛秒激光雙光子聚合技術(shù)的核心，是雙光子非線性吸收效應(yīng)與精準(zhǔn)激光控位技術(shù)的結(jié)合。傳統(tǒng)單光子光固化技術(shù)中，光刻膠材料分子僅需吸收單個(gè)光子即可觸發(fā)聚合反應(yīng)，反應(yīng)概率與激光光強(qiáng)呈線性關(guān)聯(lián)，激光光路經(jīng)過的區(qū)域都會(huì)發(fā)生固化反應(yīng)，加工精度受光學(xué)衍射極限約束明顯。而雙光子聚合采用近紅外飛秒脈沖激光，材料分子需要在極短的脈沖作用時(shí)間內(nèi)同時(shí)吸收兩個(gè)低能量光子，疊加能量達(dá)到電子躍遷閾值，才能啟動(dòng)光聚合固化反應(yīng)。該反應(yīng)的發(fā)生概率與激光光強(qiáng)的平方成正比，僅在激光聚焦的極小核心區(qū)域內(nèi)能夠滿足反應(yīng)條件，光路其余區(qū)域光強(qiáng)不足，不會(huì)產(chǎn)生固化效果，從原理上規(guī)避了衍射極限帶來的精度制約。 同時(shí)，飛秒激光具備超短脈沖、低熱影響的特性，激光與材料的作用時(shí)間遠(yuǎn)短于材料熱弛豫時(shí)間，加工過程中不會(huì)產(chǎn)生大范圍熱擴(kuò)散、熱變形問題，能夠較大程度保留材料原有理化性能。配合高精度三維掃描控制系統(tǒng)，設(shè)備可按照預(yù)設(shè)模型軌跡，在光刻膠材料內(nèi)部逐點(diǎn)、逐層完成微納結(jié)構(gòu)堆疊，成型分辨率可穩(wěn)定控制在50-200納米區(qū)間，能夠制備傳統(tǒng)工藝無法實(shí)現(xiàn)的螺旋波導(dǎo)、懸空微腔、多孔納米支架等復(fù)雜拓?fù)淙S結(jié)構(gòu)。整個(gè)加工過程無需掩膜版、無需多層套刻工序，簡化了微納器件的制造流程，縮短了精密結(jié)構(gòu)的成型周期。
從技術(shù)迭代角度來看，飛秒激光雙光子聚合實(shí)現(xiàn)了微納制造從“二維微加工”到“三維納米成型”的跨越。早期微納制造工藝多以平面加工、逐層堆疊為主，結(jié)構(gòu)分層痕跡明顯，曲面、異形結(jié)構(gòu)成型精度較差，且容易出現(xiàn)層間錯(cuò)位、縫隙等缺陷。雙光子聚合技術(shù)可直接在材料本體內(nèi)部完成立體成型，結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)，表面粗糙度更低，適配多元化的材料體系，包括各類光敏聚合物、復(fù)合光敏材料、摻雜功能納米顆粒的改性材料等。通過調(diào)整激光功率、掃描速度、聚焦光斑尺寸等參數(shù)，可靈活調(diào)控結(jié)構(gòu)固化程度、孔隙率與力學(xué)性能，滿足不同場景的定制化制造需求。
在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用層面，該技術(shù)已逐步滲透多個(gè)前沿細(xì)分領(lǐng)域。在微光學(xué)領(lǐng)域，可用于制備納米級(jí)光柵、微型透鏡陣列、光子晶體結(jié)構(gòu)，助力微型光學(xué)成像、光信號(hào)傳輸設(shè)備的小型化升級(jí)；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，可加工高精度生物支架、微流控芯片、藥物遞送微載體，支架的納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)能夠適配細(xì)胞粘附、增殖與分化需求，為組織工程研究提供可靠載體；在微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，可制備微型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、精密傳感元件，提升微機(jī)電設(shè)備的集成度與穩(wěn)定性；在新能源領(lǐng)域，可加工納米級(jí)電極結(jié)構(gòu)、多孔儲(chǔ)能材料基底，優(yōu)化儲(chǔ)能器件的電荷傳輸效率。
目前，飛秒激光雙光子聚合技術(shù)仍在持續(xù)優(yōu)化升級(jí)，行業(yè)研究主要聚焦于加工效率提升、新材料適配、大面積成型工藝優(yōu)化等方向。受制于單點(diǎn)逐次成型的工作模式，該技術(shù)規(guī)模化量產(chǎn)效率仍有提升空間，隨著多光束并行加工、智能參數(shù)匹配算法的落地，其產(chǎn)業(yè)化適配性將進(jìn)一步增強(qiáng)。作為納米三維制造的核心技術(shù)之一，雙光子聚合將持續(xù)為精密微納器件的創(chuàng)新研發(fā)、裝備的微型化集成提供技術(shù)支撐，推動(dòng)微納制造產(chǎn)業(yè)向更高精度、更復(fù)雜結(jié)構(gòu)、更多功能維度發(fā)展。
