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分光激光组装（PLA）技术通过SVG建模分解复杂结构为分区，利用空间光调制器生成可变“光印章”，结合双光子吸收实现跨尺度高精度微纳制造，解决了传统点阵扫描的阶梯状缺陷问题，为光电子器件和生物医疗领域提供新方案。
朱越强|钟丽静|张策|杨白强|邱建荣|张晨|王凯格|白金涛|赵伟
中国西部光子技术国家重点实验室，光电技术与纳米功能材料国际协作中心，陕西省光电子技术重点实验室，西北大学光子与光子技术研究所，西安710127，中国
摘要
具有高产量、高效率和灵活性的微/纳米制造技术的进步对于集成光子学、生物传感和医学诊断等领域至关重要。本研究介绍了一种名为“分区激光组装”（Partition Laser Assembling，PLA）的新型激光技术，该技术用于制造类似拼图块的复杂微/纳米结构。通过将目标图案（由可扩展矢量图形描述）划分为多个分区，每个分区中的结构都可以通过空间光调制成为可变的“光印章”来制造。与传统的直接激光写入方法不同，PLA消除了对机械组件的依赖，避免了阶梯状伪影的产生，确保了复杂跨尺度结构的更平滑制造。通过无缝组装基本形状，PLA能够以无与伦比的精度和分辨率实现复杂的结构，如微艺术品和超透镜。利用双光子制造技术，PLA保证了高分辨率和结构完整性，使其成为纳米级3D打印的潜在变革性工具。PLA的应用范围涵盖了研究和工业领域，为先进光学设备、微/纳米制造和下一代制造技术的发展铺平了道路。
引言
这种激光微/纳米制造技术已成为未来科学和工业的基石[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，广泛应用于光子芯片[6]、衍射光学元件[7]和生物医学设备[8]等领域。长期以来，人们一直致力于实现高效率、高性能和灵活性的复杂结构制造。
在过去几十年中，已经开发出了许多制造方法，包括基于掩模的衍射光刻[9]、电纺[10]，[11]，[12]、全息光刻[13]、基于模板的沉积[14]、受应力纳米膜驱动的自卷曲[15]，[16]、纳米压印[17]和激光直接写入（LDW）[18]。飞秒LDW是一种具有巨大优势的方法，如高分辨率、真正的三维（3D）处理能力和处理灵活性[19]，[20]，[21]。
然而，飞秒LDW的单点扫描方案既有优点也有局限性。一方面，它为制造复杂结构提供了出色的兼容性和灵活性；另一方面，由于其顺序性，其制造效率受到限制[22]，[23]。更严重的是，点对点写入过程总是会产生锯齿状或阶梯状的缺陷，这在光子器件（例如光波导）中是致命的。尽管通过光场调制技术利用飞秒激光双光子微/纳米制造[24]，[25]可以实现高速和并行直接写入微/纳米结构[26]，[27]，但它们仍然难以克服传统点对点制造方法固有的阶梯状伪影和不连续性问题。这些限制阻碍了具有平滑弯曲纳米特征的大型跨尺度梯度结构的创建。
近年来，已经开发了几种“投影光刻”技术[28]，[29]，[30]，[31]用于快速微/纳米制造。例如，Yuan等人[29]，[32]使用优化的Gerchberg-Saxton（GS）算法通过空间光调制器（SLM）生成计算机生成的全息图（CGH），用于快速制造微超级电容器。然而，这些结构是规则的且相对简单。由于GS算法的迭代优化速度慢以及固有的散斑形成，实现快速均匀制造复杂连续结构仍然具有挑战性。Huang等人[30]提出了一种无掩模的投影光刻方法，通过SLM加载优化后的二进制图案，改善了激光制造的边缘定义，证明了其在制造简单离散结构方面的有效性。然而，该方法尚无法制造自由形状、连续变化的结构。Zhao等人[33]通过超透镜生成结构化光来实现光刻方法。虽然该方法在制造均匀固体结构方面表现出良好性能，但成本较高、不够灵活，且通常是二维（2D）的，无法满足低成本、快速制造具有动态结构光调制能力的复杂结构的需求。还有其他研究[28]致力于开发用于直接“冲压”结构的投影光刻技术，遗憾的是，这些方法仅证明了它们制造简单、规则和周期性结构的能力。目前尚未支持制造复杂、自由形状、连续变化结构和三维结构的能力。更重要的是，还没有研究为下一代激光制造开发出全面的解决方案，在这种制造中，建模和任务组织对于实现高效和高性能制造同样重要。
在这项研究中，我们提出了一种创新的下一代激光制造技术，即分区激光组装（PLA）技术，专门用于快速、灵活和高性能地生产任意复杂的微/纳米结构（参见可视化S1以获取参考）。PLA技术是一个潜在的激光制造全面解决方案，包括建模、光场调制和激光制造这三个紧密相关的步骤，而不仅仅是简单的光场调制演示。通过使用空间光调制器（SLM）生成复杂结构化光，可以直接通过可变“光印章”制造曲线和固体结构的微/纳米结构（图1a）。因此，可以从二维到三维高效完成复杂的制造任务，这在增材制造的广泛领域中非常受欢迎。
技术细节
PLA技术原理
任何复杂的任务结构都可以被视为基本结构的组合。如果能够按顺序在正确的位置明确制造每个基本结构，那么任何复杂的任务结构都可以高效地制造出来。这就是PLA技术的概念原理。因此，为了实现这一目标，PLA技术包括三个主要部分：使用可扩展矢量图形（SVG）进行建模和任务组织（图1b）、SLM进行光调制以及激光
复杂结构化光的调制
生成复杂结构化光的核心概念是组合非衍射光束。
为了实现快速且高均匀性的生成，采用了基于非迭代快速傅里叶变换（FFT）的算法来构建非衍射光束。与迭代优化方法不同，这种方法避免了收敛过程中引入的非均匀性和散斑噪声，从而实现了确定性、计算效率高且稳定的光场构建。
不使用分区的简单任务结构制造
我们首先展示了如何使用PLA技术不使用分区来制造一个小的指纹结构，如图4所示。众所周知，由于指纹曲线的细微但可区分的差异，没有两个人的指纹是完全相同的。在这里，我们展示了如何使用PLA技术简单准确地制造指纹的复制品，这可能在生物信息存储中具有潜在应用。
在制造之前，我们首先解释了指纹的SVG（
讨论
PLA技术目前仍处于起步阶段，由于两个主要因素，制造时间仍然相对较长。一个是建模制造任务所需的时间（包括SVG分解、分区和参数分析）。特别是根据基本结构自动调整激光功率是一个相当大的挑战，未来可以通过人工智能来解决。
另一个是商用SLM的刷新率较慢
结论
在这项研究中，我们报告了一种创新的激光制造方法，称为PLA技术，它结合了双光子吸收、光场调制和SVG建模，实现了快速灵活的跨尺度制造，并具有纳米级精度。该技术能够直接构建具有连续灰度分布的任意复杂光场，同时保持高保真度重建。与其他激光制造方法相比，PLA技术提供了全面的
资助
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号51927804、61775181、61378083）的支持。
作者贡献声明
白金涛：资金获取。邱建荣：写作 – 审稿与编辑。杨白强：写作 – 审稿与编辑。王凯格：资金获取。张晨：写作 – 审稿与编辑。朱越强：写作 – 原稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论设计、数据管理。张策：写作 – 审稿与编辑。钟丽静：写作 – 审稿与编辑。赵伟：写作 – 审稿与编辑、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
