中科大吴东教授团队《Nano Letters》：高速扫描全息多焦点实现高通量双光子聚合3D打印

【多焦点调制与优化】

大数量、均匀强度的焦点阵列对于高制造通量的实现至关重要，研究者首先对多焦点光场调制进行了优化。由于LCoS-SLM的非理想特性，在衍射场中心会形成一束无用的零级光斑，且衍射能量随着距中心距离的增加而下降。此前报道的全息加工研究为了避免零级光的干扰，往往选择将加工光场偏离衍射中心，然而可用能量减少，限制了焦点数量的提升。本工作中，研究者将所需的加工光场直接设置在衍射中心，以获得更高的衍射能量和更均匀的焦点阵列强度分布，并采取策略抑制中心零级光对加工的干扰。通过修改全息图在零级光位置引入一束补偿光，并调整补偿光振幅和相位以诱导补偿光与零级光之间的干涉相消。在最优补偿条件下，零级光斑得到显著抑制，峰值强度下降80%（图1）。加工实验表明经过最优抑制的零级光已降低到聚合阈值以下，不会对多焦点光场加工造成影响。

此外，为了提高多焦点加工体素分布的均匀性，研究者利用灵活的全息灰度调制策略，根据成像和加工结果反馈调整目标强度分布，有效降低了加工系统误差对多焦点光场均匀性的影响。针对并行加工中常见的邻近效应影响问题，适当增大焦点间距并调节焦点阵列中的能量分布，避免了聚合过程中焦点间的相互影响，消除过度聚合现象并实现更均匀的加工点阵。

图1 零级光抑制策略的实验效果。

【系统加工性能研究】

研究者将振镜与LCoS-SLM集成在一套飞秒激光加工系统中（图2），并采用声光调制器用于加工过程中光束的实时通断。对系统的打印特征尺寸、扫描速度、焦点数量和打印速率等加工性能进行了测试（图3）。通过优化扫描速度与焦点能量，可 获得215 nm的最小打印线宽，表明系统较高的加工分辨率。运用上述光场优化策略，能够实现最高448焦点的同时曝光加工。此外，振镜可引导多焦点以150 mm/s的高速度扫描构建体块结构。最终评估系统峰值打印速率并与各种基于机械扫描和全息扫描的TPP打印策略进行对比，证明了该方法具有突破性的制造效率，同时保持亚500 nm特征尺寸的制造能力和全息调制的高加工灵活性。

图2 多焦点并行扫描加工系统。

图3 系统的打印特征尺寸、并行焦点数量、打印速率测试。

【微结构阵列的制备及应用】

研究者进一步展示了该加工系统高效构建3D微结构阵列的能力，通过自由设计加载在LCoS-SLM上的全息图和振镜扫描轨迹，可制备不同几何排列和单元结构的晶格阵列（图4）。在加工过程中也可以动态改变全息图，切换光场完成更灵活的结构构建。作为概念验证，展示了所构建功能性 3D 微结构阵列在微光学和微操纵方面的应用（图5）。并行扫描8×8焦点制备的微透镜阵列具有均匀的成像效果；通过多焦点光场扫描拼接制备了尺寸为160×160 μm²的微笼阵列实现了大数量微粒的高效捕获；高效制备的200×200 μm²支架阵列能够支持HeLa细胞的三维生长，为研究特定几何环境中的细胞行为提供了有力的工具。

图4 变换全息点阵和扫描轨迹制备晶格阵列和木堆结构。

图5高通量制造功能微结构应用于微成像、微粒捕获和细胞培养。