（精密仪器及机械专业论文）双光子加工微细器件的光学驱动研究.pdf

一一 塑墨 一一 _-p-_一 摘要 利用聚焦激光束可以实现对微型机械器件的光学捕获和操纵，为微型 机电系统提供了一种新型的驱动方式，该技术具有无机械接触、无需导 线、摩擦小等优点，在m e m s 研究领域受到越来越广泛的重视。本文结合 国家自然科学基金重点项目( n o 5 0 3 3 5 0 5 0 ) 的主要研究内容，研制了光学驱 动实验系统，利用双光子聚合工艺加工出微型转子，并主要对转子的结构 设计和加工、光学驱动实验和微型转子的光学驱动力矩的理论建模和计算 等问题进行了研究。本文的主要成果如下： 首先，自行组建了单光束光阱激光光学驱动系统，并和飞秒激光三维 微加工系统进行集成，实验表明系统工作良好。 其次，利用已建立的激光三维微加工系统，采用一种新型的丙烯酸酯 紫外光固化树腊，制作出了适合光学驱动的微型转予。对加工参数和驱动 参数以及转子的结构设计等问题进行了实验研究，并利用单光束光阱取得 了微型转子的光驱动初步实验结果。 第三，利用几何光学模型，结合高斯激光束传播特性，对微型螺旋桨 形转子和微型螺旋线形转子在光阱中的所受光学力和光学力矩进行理论建 模，并利用m a t l a b 进行计算仿真。计算结果和实验符合较好，为微型转子 的设计和光学驱动实验的进步优化提供了理论依据。 最后，对三维光学微驱动的技术发展方向进行了探讨，并对适合于光 学驱动的微型器件的并行加工技术、多光阱驱动技术和光驱动装置的小型 化进行了展望。 微型转子的光致旋转为实现微机械马达提供了一种有效手段，本文对 利用双光子激光微细成型技术加工的微型器件的激光微驱动技术，从实验 和理论上进行了研究，为研究项目的顺利完成和该领域研究工作的深入扣 下了良好的基础。 关键词：光镊，双光予微细加工，光致旋转，光学力矩，光学驱动 生一 垒! 璧! 型一 一一 a b s t r a c t t h et r a p p i n ga n dm a n i p u l a t i n go ft h em i c r o m a c h i n ee l e m e n t sb yu s i n ga f o c u s 。d i a s e rb e a n lp r o v i d e san o v e lm e t h o dt od r i v et h em e m s d e v i c e t h em e r i t so fn om e - c h a n i e a lc o n t a c t ，n ow i r ea n ds m a l lf r i c t i o nm a k e t h i sd r i v i n gm e t h o dg e tm o r ei m p o r t a n t i nt h ef i e l do fm e m s t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yn s f cp r o j e c t s ( g r a n tn o s 5 0 2 7 5 14 0 a n d5 0 3 3 5 0 5 0 ) o p t i c a ld r i v i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mi sb u i l t t h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no ft h em i c r o r o t o r , o p t i c a ld r i v i n go ft h em i c r o r o t o r si si m p l e m e n t e d t h e o r e t i c a l m o d e l l i n g a n ds i m u l a t i o no f t h eo p d c a tf o r c ea n d t o r q u ei m p a c t e d o nt h em i c r o - r o t o r sa r e i n v e s t i g a t e d ，t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h et w o p h o t o nl a s e r m i c r o f a b r i c a t i o ns y s t e mc a p a b l eo fm a k i n gm i c r o 。 e l e m e n t si si n t r o d u c e da n dt h eo p t i c a ld r i v i n gs y s t e m ，t h es i n g l eb e a ml a s e rt w e e z e r s ，i s b u i l tt h e e x p e r i m e n t sp r o v e d t h e p e r f o r m a n c e o ft h es y s t e m s e c o n d l y , m i c r o - r o t o r sc a nb eu s e d i nl a s e rd r i v i n ge x p e r i m e n t sa r ef a b r i c a t e dw i t h t h el a s e rf a b r i c a t i o ns y s t e mu s i n gan o v e lm e t h y la c r y l a t eu vr e s i n ，t h ed e s i g no f t h e r o t o r s ，f a b r i c a t i o np a r a m e t e r sa n dt h ed r i v i n gp a r a m e t e r sa r ei n v e s t i g a t e d t h ep r e l i m i n a r y e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa b o u td r i v i n g t h em i c r o r o t o r sa r eo b t a i n e d t h i r d l y , t h eo p t i c a lf o r c ea n dt o r q u ee x e r t e do n t w ok i n d so fm i c r o r o t o r s ，c o n i c a l a n dh e l i c a l ，i nt h el a s e rt w e e z e r sa r em o d e l l e du s i n gt h eh y b r i dr a y w a v eo p t i c sm o d e l t h es i m u l a t i o nu s i n gm a t l a ba r ep r e s e n t e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t h t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n ds u p p l yt h et h e o r e t i c a lb a s i st oo p t i m u mt h ed r i v i n ge l 节c i e n c y o ft h em i c r o r o t o r s f i n a l l y , t h ed i s c u s s i o no f t h et h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rd r i v i n gi sg i v e n t h ep r o s p e c t o ft h ep a r a l l e lm i c r o f a b r i c a t i o n ，m u l t i t r a pd r i v i n ga n dt h em i n i a t u r i z a t i o no ft h el a s e r d r i v i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d i nc o n c l u s i o n ，t h eo p t i c a lr o t a t i o no fm i c r o - r o t o r sf a c i l i t a t e st h em i c r o m e c h a n i c a l m o t o r t h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no ft h eo p t i c a l - d r i v i n gm i c r o - r o t o r sa r es t u d i e d a l l t h e s ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s u l t sw i l lb e h e l p f u lt oo u rp r o j e c t sa n di m p r o v e m e n t i nt h i sr e s e a r c ha r e a k e yw o r d s ：o p t i c a lt w e e z e r s ，t w o - p h o t o nm i c r o f a b r i c a t i o n ，o p t i c a lr o t a t i o n ， o p t i c a lt o r q u e ，o p t i c a ld r i v i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了本文特别加以标注和致谢的地方外，论文巾 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学技 术大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志 对本研究所做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：趟日 关于学位论文使用授权的说明 期：趁丛，：2 ： 本人完全了解中国科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅，本人授权中国科学技术大学可以将学位论文的全部或者部分内容 便如有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名：趄 日期：坦芏：；! 导师签名： j 0 ：、啪 蔓爻 0 日期：竺! ! ：墨! u 一 笙二童竺垒一j 第一章绪论 1 1 微型机械的研究背景和现状 1 11 微型机械的研究背景 随者人类文明的迸步，科学扳术发展的领域由毫米级、微米级逐渐减 小到纳米级，人们将这个领域的技术称作微纳米技术，它使人类在认识和 改造自然方面进入一个新的层次，增强了人类开发物质潜在信息和结构的 能力，并将在信息科学、材料、生物医疗、航空航天等方面产生重大影 响。 2 0 世纪8 0 年代后期，微型机械的出现成为该领域一个新兴的研究 热点。微型机械( m i c r o m a c h i n c ) 是日本的常用叫法，美国称之为微机 电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，简称m e m s ) ，欧洲称之为微系 统( m i c r o s y s t e m s ) 。按照结构尺寸大小，可将微机械分为：i l o m m 的微小 型机械，1 弘m l m m 的微型机械，l 姗1 z m 的纳米机械。微型机械是在 微电子工艺的基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，它与微电 子、微光学的综合集成并智能化，将会导致未来产业领域发展的一场新的 技术革命。因此，它的出现立即引起了世界各国科学界、产业界和政府部 门的高度重视，许多国家和地区已经把它列为“在经济繁荣和国防安全方面 都至关重要的技术”，对其研究开发给予优先支持。 微机械技术综合应用了当今科学技术的尖端成果，是影响产业竞争力 的基础科技之一。它具有传统机械所未有的优异特性有着广泛的应用前 景和可观的经济效益。微型机械在机械工程、医药卫生、航天航空、国防 尖端、信息、环境工程以至民生等方面都具有极其重要而广阔的发展前 景。概括起来，微型机械具有以下几个基本特点2 ：体积小、精度高、重量 轻；性能稳定、可靠性高；能耗低、灵敏性和工作效率高；多功能和智能 佗；适于大批量生产，制造成本低廉。 因此，微型机械具有一般机械远不能及的优势，在操作对象和工作环 境上，可以进入一般机械无法进入的空间进行作业而不扰乱工作环境和操 作对象。随着科学技术的发展，微型机械的智能化程度将更高、实现的功 2 一1 i ：丝竺垫垫竺苎垄堂墨塑墨些一一一 _，-_一 能将更趋j 二多样化。 1 9 9 5 年- 微型机械产品的世界销售额达到t 2 5 亿欧元，到2 0 0 0 年则增长 n 1 5 0 亿欧元3 。鉴于微型机械技术的优势和广阔的应用前景，各个先进的 工业化国家为了维持自身的技术优势都对该技术十分重视，纷纷投入巨资 开展研究。如美国国会已把微型机械的研究作为2 1 世纪重点发展的学科之 一，美国国防高级研究计戈1 3 局( d a r p a ) 资助微机电系统技术用于军事开 发的经费每年达5 0 0 0 万美元；日本通产省于1 9 9 1 年开始实旌为期l o f f - ，总 投资2 5 0 亿日元的微型机械技术大型研究计划；法国于1 9 9 3 年启动了“微技 术和微系统”项目，投入7 0 0 0 万法郎开展研究；德国每年用于微系统技术研 究的投入更高达6 0 0 0 万美元4 。在我国，微型机械的研究也逐渐得到重视， 国家科技部、国防科工委、国家自然科学基金委均将其列为重点发展项 目。 1 1 2 微型机械的研究现状 自从1 9 5 8 年世界上第一块集成电路诞生后，随着大规模集成电路制造 技术的发展，微型机械的研究逐渐引起了人们的重视。美国斯坦福大学首 先利用半导体刻蚀加工工艺，用硅材料制作了滑块连杆( 1 i n k - - s l i d e r ) 微型 机构。t 9 8 8 年加州大学伯克利分校又研制出直径为6 0 f l m 的静电微型电机， 并由此引发了一场微型化的工业革命。此后，美国麻省理工学院、威斯康 星大学、乔治亚理工学院，中国科学院上海微系统与信息技术研究所、跃 春光机所、上海交通大学和清华大学相继研制出电磁性和静电型微型电机 等等，促进了微机械技术向更深入和应用性更强的方向发展。 近几年来在该研究领域部分代表性的研究成果有：1 9 9 6 年美国加州大 学伯克利分校的k r i s p i s t e r 利用微型铰链、齿轮和发动机制成一个蚂蚁状的 人造昆虫，系统由太阳能电池供电，采用多种传感器来搜集目标的情报。 除了军事用途外，这种人造昆虫将会在微器件的搬运和装配等科学研究中 得到良好的应用。德国美因兹微技术研究所的物理学家w o 】f g a l l 2 e h r f e l d 刹 用两个采用l i g a 技术制作的直径为5 m m 大小的微电机使“世界上最小的直 升机”腾空而起。该直升机整体只有黄蜂大小，重量不n 0 5 克，飞行升空高 度可达1 3 0 m m 。其中仅有削尖的铅笔头大小，转速却高达每分钟l o 万转的 发动机( 如图1 1 所示) 具有 分诱人的应用前景，例如，可以在显微手术仪 第一章绪论 3 一一_ 器、激光扫描器等微小仪器中发挥独特的优势。 图11l i g a 技术制作的微电机 日本通产省工业技术院机械技术研究院开发出了体积为常规设备万分 之一的微型车床：其总体长3 2 r a m ，宽2 5 r a m 、高3 0 5 m m 、重1 0 0 克，和微 型铣床：其总体长1 1 9 r a m 、宽1 1 9 m m 、高1 0 2 r a m 、主轴为d c 伺服电机( 功 率5 6 w ，转速2 0 0 0 0 r p m ) 。相对于普通车床的主轴驱动用马达的额定功率 为l 3 k w ，微型车床可以达到1 5 w ，可以节省很多的能源。研究人员希 望利用这种加工工具直接制作出微米级机械器件。 2 0 世纪7 0 年代后期开始出现微流体分析系统，美国斯坦福大学的研究 人员首先对其进行了研究开发。到了9 0 年代后，已有部分产品开始进入实 际应用，如气体色谱仪( g a sc h r o m a t o g r a p h y ) ，生物工程的d n a 分析系统， 医疗医学领域、环境工程以及理化分析研究等领域的样品分析系统。在航 空航天和微细加工等领域这种类型的系统也有着广泛的应用前景如美国 哈佛大学、日本早稻田大学等许多高校都已展开了相关的研究工作。我国 的清华大学近期也在该领域开始了研究5 。 在微器件研究中，目前最成功且已商品化的是基于i c 工艺的微型加速 度传感器( 如美国的a d 公司) ，和硅压力传感器( 如m o t o r o l a 公司、e g & gi c s e n s o r s 公司) 等，已应用于航空航天和汽车等工业领域。同对，对这些系统 的进步研究仍是现阶段微型器件领域的热点之一，主要研究成果集中在 美国和日本。我国的复旦大学、东南大学、上海交大和清华大学等高校和 研究所也先后开展了有关技术的研究。 4 i2 微型机械的驱动技术发展 ，_ 十一 1 2 微型机械的驱动技术发展 在微型机械领域，对于微传感器( m i c r o t r a n s d u c e r ) 军1 微执行器：( m i c r o a c t u a t o r l 的研究是整个研究内容重要一部分。由于微型机械的尺度在微米 量级，器件的面积和体积和其尺寸成平方和立方的关系，此时重力和惯性 的作用不再显著，摩擦力和静电力等力的作用更加显著。因此其驱动方式 也不同于宏观的机械驱动方式，但是仍然可以借鉴这些宏观领域的成功经 验。目前比较常见的有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱 动、热驱动等。 1 2 1 静电驱动 其基本工作原理是利用两个带异性电荷的电极之间具有的吸引力，来 驱动机构中的可动部件实现平动或转动。由于这种电极结构可以象集成电 路一样进行批量制造，因此静电驱动是目前m e m s 领域比较常用的一种驱 动方式。例如采用梳状结构来产生相对较大的位移的静电驱动微型镊子， 以及旋转型微马达和平动型微马达等等。在能够自由转动的转子四周布置 着电容极板定子，以合适的相位驱动，就可以实现转子的转动。美国康奈 尔大学的s e v o y j l j 用静电驱动桨形微型振子6 ，k b l e e 矛t 用电场分布的不均 匀性设计实现了横向排斥力微致动器7 。但是采用静电式驱动必须考虑到 微纳器件工作的环境以及电极的设计、导线的布置，加上运动过程中的摩 擦，会使结构的寿命大大减少，必须采用化学表面修饰技术实现润滑3 。 1 1 2 1 2 电磁驱动 由于电磁驱动在宏观领域中的突出地位，这种方式也被应用在微观领 域。电磁驱动相对于静电驱动具有驱动力大、高效率和使用寿命长等优 点8 。利用磁耦合技术实现精确的气隙控制，通过刻蚀和光刻技术制作出磁 驱动的微致动器结构9 。上海交通大学研制出用电磁驱动的微型机器人i 0 。 电磁线圈结构复杂，难以大批量加工，限制了电磁驱动方式的广泛应用。 由于摩擦和粘附力对于微器件这类体积很小，而且表面粗糙度对其影响较 大的对象来说限制其使用，解决方法之一就是依靠磁力或静电力产生悬 浮，悬浮高度可达几微米1 。 第一章绪论 s 1 2 3 压电驱动 其基本工作原理是利用压电材料的逆压电效应，通过在器件上施加驱 动电压，使之产生位移；其优点是精确1 1 ，其应变率在0 1 或更小。为了 获得更大的偏移量，呵以通过制造双晶片压电器件来实现。压电驱动的一 个重要应用是微机械压电偏转扫描隧道显微镜探针。例如可以用压电薄膜 制造出探针阵列汜，通过控制加载电压实现探针的偏转。 1 2 4 形状记忆合金 在预先设置的温度下，形状记忆合金s m a ( s h a p em e m o r ya i 1 0 y ) 具有还原其原始形状的能力，能量利用率比较高1 3 ，常用的 有a u c u 、i n t i 、n i j t i 。由于s m a 的形状回复力是与其特征尺寸的平方 成正比，其随特征尺寸减小而衰减的速度要明显小于与特征尺寸立方成正 比的重力、惯性力等，再加上s m a 元件尺寸减小后其比表面积增加，冷却 加快，因此在微机械领域常采用s m a 来做驱动器。目前主要应用在医学以 及微夹具1 4 、微泵1 5 ( 如图1 2 所示) 方面。但是s m a i 作原理对工作环境 的温度条件有一定的要求，需要特殊的合金，常常需要退火，其温度与预 制的控制电路不兼容3 。 图1 2利用s m a 驱动的微泵 1 2 5 热驱动 这种驱动是基于固体或液体膨胀的热执行方式，例如利用两种具有不 61 2 微型机械的驱动技术发展 同热膨胀系数的金属，或者用一片金属作热阻片，用硅或者多晶硅做成另 一片，使双金属片弯曲。当热力消失，器件又回到原来的形状。利用该原 理k 0 1 e s a r 等实现了热驱动的微悬臂粱埔，h e n n i n g 等实现了微型阀门”。 1 2 6 气流，水力驱动 在微机械应用领域中，微流体已经占了很大的比重，其中个重要 的应用就是利用气体或液体来驱动微细结构。美国康奈尔大学的研究人 员利用气流驱动微振子，其输出信号强度比通常的系统的热噪声高3 个数 量级俺。依靠作用在微器件工作部位多个腔体内压力的变化可以实现多种 空间动作，日本东京工业大学实现了一种气体柔性微驱动i 器f m a ( f l e x i b l e m i c r o a c t u a t o r ) ，并将其应用在微型蠕动机器人上。 1 2 7 其它驱动方式 2 0 0 0 年美国康奈尔大学s o o n g 等在活细胞内的能源机制启发下，制造出 了一种分子马达。这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础，依靠为细胞内化 学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷( a t p ) 为能源。把金属镍制成的螺 旋桨嫁接到三磷酸腺苷酶分子中轴上，制造了一台纳米机器1 9 。当它们被浸 于a t p 溶液后，其中5 个分子马达转动了起来，转速达到每秒钟8 转。其镍螺 旋桨长7 5 0 纳米，如图1 3 所示。目前开始研究的生物驱动方式，包括细胞 图1 3微型马达 骨架微导管，纤毛鞭毛，肌动蛋白，其应用仍然处于初级阶段，但是却在 第一章绪论 7 微米级别和纳米级别之间起到了桥梁作用3 。 1 3 光学驱动技术的产生和发展 和上述常用的微驱动技术不同，光学驱动技术是利用光( 通常是激 光) 作为动力源，通过将光和对象之间的相互作用发生的动量传递或者能 量转换，包括转化为热能、电能以及化学反应能实现机械运动，得到驱动 微型器件的目的。可以预见，光学驱动技术在m e m s 领域中的应用将直接 推动微光机电一体化( m i c r oo p t o m e c h a t r o n i c ) 的进程。 例如u c h i i l o 利用光学驱动p l z t 实现可行走的微型机器人2 0 。日本东京 农业大学的y o t a n i 利用光热效应降低热敏铁索体材料的还磁能力2 1 ，通过 改变照射铁索体材料的激光位置，可以实现可动部件( 永磁材料) 的光学 驱动2 2 。东京工业大学的矢部孝研制出由激光驱动的纸飞机2 3 ，主要是利用 激光的热效应，用激光束照射飞机上的靶区，产生驱动透明合成树脂或喷 射水滴的等离子区，从而产生一个足以使飞机达到大约3 米每小时速度的推 力。本文研究的光学驱动是指利用光与物质相互作用时发生的动量传递。 由于光是一种电磁波，其本身不仅带有能量，而且带有动量。根据爱因斯 坦理论，光由光予组成，每个振动频率为z ，的光子带有助的能量，同时带 有h v c 的动量。利用光和微小物体相互作用时发生的动量传递，根据牛顿 第二定律，会有作用力施加在微小物体上；并且在一定的情况下，力在物 体上的分布和物体的形状会产生施加在物体上的力矩从而可以实现对物 体的捕获乃至驱动。 1 ，3 1 光辐射压力 1 6 9 1 年德国的天文学家开普勒提出，慧星的尾部之所以背向太阳，是 因为彗星尾部受到太阳辐射的作用力，这是光辐射压力存在理论的首次提 出。1 8 7 3 年麦克斯韦根据他的电磁学理论说明光本身可以产生光辐射压， 并计算了垂直入射到部分反射吸收体表面的光压的值为p ：竺f l + r ) 。其 中e 为单位时问内入射到单位面积上的光能量，c 为光速，咒为物体的反射 系数。 从光的量子性来看，光是由光子组成的。每个光子的动量为 c 。光 压可以被解释为光子将其动量传递给作用的物体。设单色光正入射到物 8 一：垄堂矍垫垫查竺皇! 墨垦 一 一 体上，n 个光子携带有能量为e = n h u 。传递给绝对吸收的物体的动量 为h p c ，传递给绝对反射的物体的动量为2 n h u c 。考虑一般情形，n 个 光子传递给物体的动量为： ( 1 一r ) n h _ ，兰v + r 2 n h ，1 = n h ，u ，( 1 + r ) = 鲁( 1 + r ) 和麦克斯韦的公式一致。 虽然光压存在的理论提出很早，但是光压的测量十分困难，因为在通 常的实验条件下，光压只有1 0 - 1 6 到l o 一7 n m 2 ，而且在测量时必须完全消除 由空气热对流引起的“辐射计”效应。1 9 0 1 年俄国科学家列捷别夫用光照射 真空中由细丝悬挂的悬体，悬体上固定的一个翼涂成黑色，另一个保持光 亮。由于光亮的翼和光束的作用受到推力的作用，在实验中观察到悬体的 偏转，证明了光压的存在2 4 。 1 9 3 6 年美国物理学家r i c h a r da b e t h 进行了有名的b e t h 实验2 5 ，通过将一 束圆偏振光照射到由细丝悬挂的石英半波片上，首次成功地观察由于光 子的角动量实现的物体的旋转。圆偏振光通过半波片后，其角动量将变 化2 危，这部分动量传递给半波片，使半波片发生旋转( 如图1 , 4 所示) 。 ( q 图1 4b e t h 实验 2 0 世纪, 6 0 年代随着激光的出现使得对光辐射压进行广泛的研究成为bj 1 能，从实验上证明了光辐射压的存在。如图1 5 所示为1 9 6 4 年s t i m l e r 实验系 统2 6 ，利用大功率激光照射真空室中用细丝悬挂的两片旋转镜，使其产生 旋转力矩。通过激光反射光的偏转精确检测出旋转镜的转角，即可求出产 出 第一章绪论 9 图1 5s t i m l e r 的测量光压系统 生的旋转力矩，直接观测光压产生的力矩。可以利用微粒学说来解释此现 象，考虑强度为珀q 激光垂直照射静止的全反射镜子上，一个光子撞到镜子 上再返回，发生的动量变化为2 丘p c ；在时间间隔以内就有个，& p 光子撞 击镜子，则镜子受到的冲量为： f 5 扛三矾坐：鲨 n cc 设镜子受光照射的面积为s ，则光压p 为： p ：型 c s 当波长为1 0 0 0 n m ，强度1 0 m w 的激光照射在面积l 肛m 2 上，光束相当于 每秒5 1 0 1 6 个光子的光子流，光压为6 0 m 2 ，作用于全照射场的力就 是6 0 p n 对假说的验证落后于假说的提出近三个世纪，这主要是因为光辐射压 力是极其微弱的，毫瓦量级功率的光仅可产生皮牛顿( 1 0 1 2 ) 级的作用 力和皮牛微米( 1 0 - 1 8 n m ) 级的力矩2 7 8 。如此小的力和力矩在宏观领域作 用非常不明显，但是在微观领域却可以实现对具有微纳米尺寸的物体的光 学操纵和驱动。 1 3 2 光镊技术的产生和发展 根据光学辐射压力原理，在2 0 世纪7 0 年代由美国贝尔实验室的a n h i l r 生 ! ：! ：垄兰墨垫苎查竺生翌垄垦 一一 a s h k i n 提出了光镊( o p t i c a lt w e e z e r s ) 或光阱( o p t i c a lt r a p s ) 技术a 光镊技 术是幂l j 用激光焦点附近的强梯度光场实现对粒子的束缚和操纵，从粒子学 说解释，即通过激光束中光子在和物体作用时发生的动量交换实现的。由 于光镊技术本身相对于已有微操纵技术( 如微探针技术) 的显著优点，例 如无机械接触、对样品无损伤，它一诞生，就被很快应用在生物、化学、 物理等众多领域，通过捕获和操纵附着在被研究对象上的微粒，可以利用 光镊技术来测量细胞鞭毛的运动2 9 、d n a 的拉伸特性3 03 1 、单个肌蛋白细胞 的作用力的测定3 2 3 3 等等。 a s h k i n 通过将激光高度聚焦形成窄的激光微束，证明光压可使微粒( 比 如直径为几个微米的聚苯乙烯小球) 进行移动或逆着重力对其进行提升， 正如常见的机械镊子“钳”住物体一样。1 9 7 0 年a s h k i n 用一束i w 的连续甄离 子激光实现了球形颗粒的二维囚禁，成功地观察到激光在垂直于光传播方 向上对水中直径l # r a 的乳胶颗粒的束缚3 4 。1 9 7 6 年他用激光束在高真空中实 现了粒子的光悬浮”，1 9 8 6 年a s h k i n 等人利用汇聚的单束激光的梯度力首次 成功地实现了尺寸为2 5 n m 至g l o # m 的微粒在水中的俘获3 6 。a s h k i n 等在光辐 射压力对粒子影响方面所做的工作给以后光镊技术的发展奠定了基础。日 本的m i s a w a 幂l j 用光镊技术实现了对水中的树腊小球的捕获和烧蚀3 7 ，澳大 利亚的g um i n 成功利用光镊技术捕获住金属粒子雏，拓展了光操作对象的 范围。 1 3 3 不同光学驱动方式 虽然光镊技术的产生是为了研究原子的冷却、捕获，但是建立在光镊 技术基础上的光操作和光驱动本身的无损伤、设备简便等优点使研究人员 开始将其引入到m e m s 领域。结合不同的激光模式和不同的粒子特性，可 以组成多种光学驱动粒子的方式，下面介绍几种常用的不同的光学驱动方 式。 直接利用激光光镊效应，用光“镊”住物体的某一或多个部位，对物体进 行推拉、旋转等操纵。典型的报道采用偏转聚焦激光束法3 9 ，通过扫描振镜 等光电器件，使激光焦点移动、偏转，从而使捕获中的微器件随之动作4 0 。 如图1 6 所示，通过激光焦点处的梯度力捕获住微型齿轮结构中的部分齿， 通过扫描光束，可以实现微齿轮的转动。日本名古屋大学的丸尾利用这种 笙二兰竺堡 _ 方式，实现了可控力度的单个悬臂探针的精确驱动引。但是实现光束的精确 扫描，需要高精度的扫描振镜装置。 图1 6 移动焦点获得光学操纵 科用制作微器件的材料特性，誊接吸收光束携带的角动量，实现旋 转。光束所具有的总角动量可以分为轨道角动量( o r b i ta n g u l a r m o m e n t u r n ) 和自旋角动量( s p i na n g u l a rm o m e n t u m ) 。光场分布不均匀的光束一 般都具有轨道角动萤，例如具有螺旋波阵面的l g 光柬和具有无衍射特性 的b e s s e l 光束。利用微型器件材料对这些光束的吸收特性鸵，器件直接可以 获褥角动萱，实现绕光轴的转动。而自旋角动量是光予本身的属性4 3 ，其方 向取决于光束的偏振态，其传递是以光束的偏振状态的改变为基础的。利 用材料的双折射4 4 特性，光束在和微型器件相互作用时，光束的偏振状态会 发生改变，光予携带的自旋角动量就会发生改变，根据角动量守恒，微型 器件从光束获得相应的角动量，实现绕自身光轴的旋转。光束携带的轨道 角动量和自旋角动量可以同时存在，也可以单独存在。例如圆偏振的高斯 光束只有自旋角动璧，l g 光束在线偏振状态下只有轨道角动量，在甄偏振 态下同时具有轨道角动量和自旋角动量。 f r i e s e 等利用光予的自旋焦动量实现了c a c 0 3 粒子的旋转。粒子的转 速和激光功率为正比，在3 0 0 r o w 对，测得了厚度为1 弘m 的c a c 0 3 最高旋 转频率为3 5 0 h z 。并利用双光阱实现了微型驱动马达，用一个光阱捕获 了一个直径为1 皿m 的c a c 0 3 粒子，用另外一个光阱捕获住一个透明的直经 ! ! ! ：垄堂坚兰垫查竺兰! ! 墨垦一 1 0 # m 的s i 0 2 材料的六齿微齿轮4 5 ，如图1 7 所示。操纵双光阱使两个被 捕获住的粒子靠近，旋转中的c a c 0 3 粒子会引起周围液体的流动t 从而 崔f f 动s i 0 2 微齿轮旋转。除了吸收粒子4 2 或者双折射“，还可以用干涉的方 图i ，7利用双折射材料实现的光致旋转 法4 6 来旋转细胞。但是干涉法不能够充分利用激光能量并且干涉条纹受振动 影响比较大。 印度科学家利用在光路中加入柱状透镜( = z o o m ) ，使光束变成椭圆， 通过旋转柱面透镜，带动捕获住的物体的旋转。利用这种线性光阱进行 了可控的尺寸2 - - 4 0 # m 细胞旋转实验4 7 。此法比较高阶光束更加简便，控 制简单，并且充分利用激光的功率。在功率为2 5 r o w 时，细胞转动频率 为l o h z ，细胞内部的氧化钙晶体转动频率最大达4 h z 。 随着光电技术的迅速发展，已经可以实现特殊相位结构的光束，可 以根据需要设计实现4 6 特殊的光波相位结构，使器件自转；利用b e s s e l 光 束4 8 实现新型光阱，可以对多种粒子进行捕获。同时将衍射光学、干涉图、 归一化相衬法4 9 、计算机生成全息法5 0 应用在光镊技术中来同时产生多个光 阱。其基本原理如图1 8 所示。其中的液晶空间光调制器( s l m ) 作为一个 闪耀光栅对准激光的波前进行相位调制，从而在显微物镜的焦面上获得所 需的光阱阵列，可以动态、相对独立地调整每个光阱的位置，实现三维无 机械接触式操纵。l i e s e n e r 等人将光学寻址液晶显示器用于改善系统，将激 光的衍射效率从6 提高到5 3 。 第一章绪论 1 3 图1 8利用相位调制器形成动态光阱阵列 根据不对称微粒在不对称光场中的取向，周期性改变光强分布，利用 辐射压力或者梯度力带动微粒同步旋转。与利用光束的角动量不同的是， 这种方式主要利用光束在物体表面反射、散射或者透射时产生的辐射压力 或者梯度力，以及被操纵对象的特定几何形状。l u o 利用表面镀金的聚苯乙 烯小球产生的驱动力矩来带动捕获中的聚苯乙烯大球旋转，实现了光致自 转的微型马达副，直接将辐射能转化为机械能( 如图1 9 n 示) 。左藤5 2 采 图l9光学自旋聚苯乙烯球微型马达 用在激光器的谐振腔内设置一个矩形可动小孔的方法，实现扁平状红细胞 的转动。但是这不适用于每种激光器，而且会降低激光器的效率。实验中 细胞转动频率只有0 1h z 。 】! - ! 垄兰坚垫垫查堕生生翌墨垦 苏格兰格拉斯哥大学的p a d g e t t 将宽度为4 m m 的矩形小孔放置在激光光 路巾，通过旋转小孔，也可以实现对不对称物体的光致旋转5 3 。该方法无需 光束调制，即n 了实现水中直径1 5 “m 的硅球的旋转。 随着微细加工技术的迅速发展，已经可以实现特定外形结构器件的加 工。可以根据需要设计、加工出5 45 5 特殊的外形结构的微器件( 如图1 1 0 所 示) ，通过器件和光束的相互作用，使器件自转： 图l1 0 光学驱动的微型转子 利用光异构化分子作为材料，通过分子形变，直接将光能转化为机械 能。 e t 本东京工业大学的俞燕蕾利用含偶氮苯色素的高分子液晶材料所具 有的特殊的光响应特性，并通过偏振光照射等技术，实现了精确控制该材 料薄膜的卷曲，使其可以沿着任意方向、任意卷曲程度实现反复卷曲和复 原5 6 。这种新材料和技术可以将光能直接转化为机械动力，从而有望大大降 低能量在多次转换过程中的损耗，提高光能的转化效率。英国卡文迪许实 验室也利用液晶材料制成薄膜、梁和盘结构，对其在光辐射f 发生的形变 进行了试验研究和理论分析5 7 。 美国加利福尼亚大学的弗雷德里卡霍索恩小组，人工合成了种纳 米级镍碳硼烷分子，由一个镍原子和两个碳硼烷分子结合而成弛。用特定波 段波长的光线照射镍原子，可使镍原子中的个电子跃迁到较高的能态， 促使镍碳硼烷分子带电，这时，分予处于扭转状态；而停止光线照射时， 第一章绪论 1 5 一一 镍碳硼烷分子又回到不带电的非扭转状态。利用光线驱动这种分子，使其 来回扭转摆动。这样，分子在来回扭转时，就可作为驱动纳米微型机械的 高效率动力，即分子马达。 以上几种光学驱动方式，利用光束轨道角动量必须采用复杂的设备实 现特殊模式的激光束，而且在利用吸收特性的实验中对象对光的吸收和造 成的损伤条件相矛盾：利用自旋角动量可以实现快速转动，转速达到上百 赫兹，但是必须利用双折射材料制作程微型器件。本文结合研究项目背 景，将利用双光子微细加工工艺制备适合于光学驱动的微型器件，利用光 和微器件之间的非对称性交互实现光学驱动。 1 3 4 光学驱动理论的发展 为了提高光阱效应的质量以及改善系统的操纵性能，人们对激光作用 在微粒上的力进行理论分析和实验研究。纵观光镊技术的的发展历程，试 验早于理论。激光和作用对象之间的作用力对对象的形状尺寸是非常敏感 的，所以对光学作用力的理论计算不能取代对其直接测量；但是通过理论 分析和计算，对于仪器参数、操纵对象的材料和外形结构的设计和改进有 着不可忽视的指导意义。通过比较计算结果和实验结果还可以对实验的可 靠性进行分析和评价。 目前光捕获理论还处在发展之中，某些方面面还存在不足需要完善， 这从计算模型的选取和近似条件的限定不难看出。对于光捕获力的计 算对象多采用球体模型，这是因为其它形状的电磁模型难于计算，而 且实验中常用操作柄的聚苯乙烯球体和硅球都是球体或近似球体的。 目前人们已提出可用于光阱力计算的射线光学r o ( r a y o p t i c s ) 模型5 9 和电 磁e m ( e l e c t r o m a g n e t i c ) 模型6 06 1 。由于r o 模型基于几何光学的原理，所以适 用于作用对象尺寸比光波长大得多的情况，而e m 模型适用于作用对象尺寸 比光波长小得多的情况。文献6 2 的结果表明，当作用对象尺寸比所用光波 波长大一个数量级时实验结果同射线光学r o 模型吻合较好：而当作用对象 尺寸小于所用光波波长数个量级时，实验结果同电磁e m 模型吻合较好。利 用r o 和e m 计算模型，人们对光镊系统参数和操纵对象的结构对光阱力的 影响进行了广泛的研究6 3 棚，利用l g 模式的激光可以有效提高横向的光阱 力。文献6 9 。7 1 分别对空心球体、环状、柱状结构的操纵对象进行了实验研 1 6 1 4 双光子聚合三维微加工技术发展 究和理论分析。 1 3 5 国内光镊驱动技术的研究和发展现状 目前国内的光镊技术的研究主要集中在生物细胞操级和理论分析上， 起步较早的有中国科学技术大学物理系的李银妹小组，成功研制出国内首 台纳米光镊，同时进行了相应的理论分析阳，并有相关译著出版孙。中科院 物理所张道中小组利用光镊技术开展对红细胞弹性以及乳腺癌细胞细胞膜 弹性的系列研究7 4 ；7 5 。北京理工大学高明伟等利用l g 光束实现了轨道角动 量的传输7 6 。浙江大学自剑等人用光捕获的石英粒子实现了在s i 表面的微细 加工7 7 ，8 。复旦大学、云南师范大学、燕山大学等科研机构也分别做了试验 研究和理论探讨7 9 - 8 1 。天津大学超快激光实验小组对飞秒光镊的轴向和横 向力的稳定性进行了分桥计算8 2 ；8 3 。 1 4 双光子聚合三维微加工技术发展 随着m e m s 技术快速发展，它也同时对微细加工技术提出了更高的要 求。如要求加工系统其有真三维的加工能力，微米甚至是亚微米级的加工 分辨，高度柔性的加工特点等等。随着激光技术，特别是超快脉冲激光技 术的发展，结合立体光成型技术的加工方法，在2 0 世纪9 0 年代后期，一种 新型的飞秒激光双光予三维微细加工技术随之迅速诞生，并已在世界范围 内引起科研工作者和相关人员的广泛重视8 4 。 由于飞秒激光脉冲经强聚焦后，可以在很低的平均输出功率下实 现g w c m 2 量级的瞬时激发光强，如此高强度的激发光强可诱发材料发生 显著的非线性光化学反应。将飞秒激光技术引入到三维微细加工中实现材 料的双光子吸收，使这种新型的三维光成型技术表现出了很多优良特性。 由于材料发生双光子吸收的几率与激发光强度的平方成正比，由双光子吸 收引发的光化学反应将被局域在激光强度很高的焦点周围极小的区域内f 体 积的数量级为a 3 a 为入射激光的波长) ，可实现很高