从考研复试真题到前沿应用:激光辅助直写技术的“精雕细琢”之路

如今回望，那句复试真题更像是一个行业启蒙：激光辅助直写技术，本质上就是以激光为“笔”，在微观尺度下“书写”精密结构的专项技术。对于非专业读者而言，无需深陷复杂的光学公式，只需简单联想——我们用普通水笔在纸上书写、绘画，而激光辅助直写技术，则是利用能量高度聚焦的激光束，在玻璃、晶体、光刻胶等特种材料表面及内部，“刻写”出比头发丝直径小几百倍、甚至上千倍的微纳结构，这些细微结构，正是高端光学仪器、精密传感器的核心核心部件。而对于光学工程专业的研究生、行业从业者而言，这项技术的“先进”之处，恰恰藏在其加工精度、工艺灵活性与应用广度之中，更体现在它打破了传统加工技术的局限，实现了微纳尺度下“精雕细琢”的极致追求。

要读懂激光辅助直写技术的核心价值，首先需明确一个关键问题：为何要采用激光进行“微观书写”？这就不得不提及它最核心的应用场景——衍射光学元件（DOE）的制备。作为典型的微光学元件，衍射光学元件（DOE）与我们日常所见的凸透镜、凹透镜截然不同，它摒弃了传统光学元件的厚重体积，兼具体积小、质量轻、设计自由度高、成像质量优异的显著优势，堪称光学元件中的“轻量化能手”。从手机摄像头的成像模块、激光打印机的光路系统，到医疗内窥镜的光学组件、数据中心的光学存储器件，DOE的身影无处不在，其应用场景已全面覆盖光学成像、光学数据存储、激光技术、生物医学等多个前沿领域，应用潜力亟待进一步挖掘。

(a) 激光直写技术工艺过程示意图；(b) 影响DOE制备质量的主要因素

随着现代光学系统向轻量化、微型化、集成化方向飞速迭代，市场对衍射光学元件的制备要求也愈发严苛——不仅需要纳米级的加工精度，还需兼顾高效的加工效率，更要适配不同材料、不同结构的定制化需求。传统加工方法，如光刻、聚焦离子束刻蚀等，要么依赖昂贵的专用设备与高标准洁净室环境，要么加工工序繁琐、制备周期漫长，要么无法实现复杂三维微结构的加工，难以满足高端光学元件的制备需求。而激光辅助直写技术的出现，恰好精准破解了这些行业痛点，凭借加工精度高、工艺流程简洁、操作灵活性强等核心优势，迅速成为高精密仪器中关键光学元件制备的核心技术，甚至成为高端DOE制备中不可或缺的核心工艺路径。

从技术原理层面分析，激光辅助直写技术的核心逻辑并不复杂，但细节把控却直接决定其加工质量，这也是专业从业者需重点关注的内容。简单来说，该技术主要由“光源、聚焦系统、运动控制系统、加工基板”四大核心模块构成：光源负责提供能量集中的激光束，相当于“书写笔芯”；聚焦系统将激光束聚焦至极致，形成直径极小的激光焦点，相当于“精密笔尖”；运动控制系统精准控制激光焦点或加工基板的移动轨迹，相当于“操控之手”，确保书写轨迹的精准度；加工基板则是激光“书写”的载体，相当于“专用纸张”。当激光焦点照射至基板材料表面或内部时，会通过光化学反应、熔融、烧蚀等物理或化学作用，改变材料局部结构与性能，进而形成预设的微纳结构——这一过程看似简单，实则每一步都需精准控温、控速、控能，容不得丝毫偏差，这也是该技术从理论走向工程应用的关键所在。

对于光学工程专业从业者而言，激光辅助直写技术的专业深度，更多体现在其加工质量影响因素与技术迭代路径上。结合我读研期间的实验积累与近年来行业研究进展，激光直写技术的加工质量，主要受两大核心因素影响，这既是考研复试中导师高频追问的知识点，也是研究生开展实验、从业者开展生产时需重点把控的关键参数。

(a) 自动对焦子系统示意图(左)和焦点对准光束和倾斜光束放大图(右)；

(b) 周期为2 μm的铬光栅的SEM照片；

(c) 激光直写制备曲面衍射结构系统示意图；

(d) 自动对焦系统示意图；

(e) 具有二元菲涅耳波带片结构的球面透镜

第一个核心影响因素是聚焦系统。聚焦系统的性能优劣，直接决定激光焦点的尺寸与能量分布，而焦点尺寸，正是限制加工精度的“天花板”。若聚焦系统存在较大像差，激光焦点会出现发散现象，无法实现高精度加工；反之，采用高数值孔径物镜等优质聚焦组件，可将激光焦点压缩至亚微米甚至纳米级别，从而实现纳米级加工精度。在实际实验与生产过程中，我们不仅要筛选适配的聚焦物镜，还需重点考量激光波长、偏振态对聚焦效果的影响，必要时需通过自适应光学技术校正像差，确保加工出的微纳结构完全符合设计标准——这既是激光直写技术从理论落地到工程应用的关键一步，也是研究生开展课题研究、提升专业能力的核心内容。

(a) 光刻胶层内不同深度处的曝光能量密度分布图；

(b) 扫描速度与扫描线宽关系图；

(c) 激光功率与扫描线宽关系图。

第二个核心影响因素是激光能量密度与扫描速度，这两个参数相互关联、相互制约，堪称加工过程中的“孪生关键参数”。激光能量密度，通俗而言就是单位面积内激光的能量总量，能量密度过低，无法有效改变基板材料的结构与性能，相当于“笔色过浅无法显色”；能量密度过高，则会烧毁基板材料、产生加工缺陷，相当于“笔尖过热烧毁纸张”。而扫描速度，即激光焦点的移动速度，速度过快会导致材料吸收的激光能量不足，造成加工结构不完整、尺寸偏差过大；速度过慢则会导致材料吸收能量过量，引发材料变形、缺陷增多等问题。对于研究生而言，如何通过多组对比实验，优化这两个参数的匹配关系，找到最优加工窗口，是提升加工效率与加工质量的核心课题——我读研期间，仅针对这两个参数的优化，就完成了上百组对比实验，深刻体会到微纳加工领域“差之毫厘，谬以千里”的专业严谨性。

如果说传统激光直写技术实现了“精准书写”，那么飞秒激光直写技术，就是激光辅助直写技术的迭代升级版本，更是突破衍射极限的“核心黑科技”。随着微光学元件的制备精度要求从亚微米级向纳米级跨越，传统激光直写技术逐渐遭遇衍射极限的瓶颈——简单来说，就是激光自身波长限制了加工精度，无法制备出更小尺寸的微纳结构。而飞秒激光直写技术的问世，彻底打破了这一局限：飞秒激光是一种脉冲宽度极短（仅为飞秒级别，1飞秒=10⁻¹⁵秒）、能量高度集中的特种激光，它可通过非线性吸收效应，在材料内部形成微小的折射率变化区域，进而实现三维微纳结构的精准加工，其加工精度与分辨率远超传统激光直写技术，为高性能微光学元件的制备提供了全新技术路径。

对于光学工程专业研究生而言，飞秒激光直写技术的工艺流程与系统分类，是必须扎实掌握的基础内容，也是当前行业的研究热点与重点方向。目前，行业内主流的飞秒激光直写系统，主要分为两大类，两类系统各有优势、各有侧重，可适配不同场景的加工需求。

(a) 飞秒激光直写微纳加工系统示意图；

(b) 不同脉冲能量下获得的VPG显微放大图像；

(c) 拓扑电荷数分别为1、3、16的HOVML的SEM图；

(d) 不同拓扑数下HOVML的聚焦特性

第一类是基于直角坐标系的飞秒激光直写系统。该系统的核心设计，是采用三个压电平台构建三维直角坐标系，将加工样品固定于平台之上，激光焦点保持静止，通过计算机精准控制压电平台的移动，实现激光的直写扫描——简单来说，就是“笔不动，纸动”的加工模式。这种系统的核心优势的是加工精度高、定位误差小，目前在行业内应用最为广泛，例如在硫系玻璃内部制备体相位光栅（VPG）、在光刻胶中加工混合折衍射元件（HOVML），均需依赖该类系统。但其也存在明显局限：加工尺寸受限于压电平台的行程，难以实现大尺寸衍射光学结构的一体化加工。为此，科研人员研发出基于扫描振镜与气浮平台结合的改进型系统，既保留了原有系统的高精度优势，又有效扩大了加工范围，吉林大学的研究团队就曾利用该类改进型系统，成功制备出衍射效率高达89%的菲涅耳波带板，为大尺寸高精度DOE的制备提供了可行方案。

(a) 极坐标飞秒激光直写系统示意图；

(b) 透镜曲面上圆光栅图像与激光扫描共聚焦显微镜图；

(c) 衍射微光学元件图案化的系统配置；

(d) 超薄衍射光学阵列的图案化程序。

第二类是基于极坐标系的飞秒激光直写系统。与直角坐标系系统相反，该系统通过旋转样品台，配合激光焦点的径向移动，实现极坐标下的扫描加工——相当于“纸旋转，笔沿半径移动”的加工模式。其最大优势是适配环形、弧形等具有旋转对称性的微纳结构加工，例如光学涡旋器件、环形光栅等，在激光通信、光束整形等专项领域具有不可替代的应用价值。相较于直角坐标系系统，该类系统的加工效率更高，尤其适合批量制备具有旋转对称结构的衍射光学元件，但在加工非对称复杂结构时，灵活性略显不足，需结合实际需求合理选用。

近年来，随着激光技术、计算机控制技术与材料科学的深度融合，激光辅助直写技术也在持续迭代升级、突破创新。除了飞秒激光直写技术的不断完善，科研人员还将深度学习等人工智能技术融入其中，用于进一步优化加工精度——例如通过卷积神经网络（CNN）模型，精准校正基准标记（fiducial标记）缺陷带来的对准误差，将加工精度稳定控制在100纳米以内，这一技术突破，为高精密微纳光学器件的规模化制备提供了全新解决方案。同时，激光直写技术的材料兼容性也在不断提升，不仅可加工玻璃、晶体等传统光学材料，还能适配柔性聚合物、有机半导体等新型材料，为柔性电子、量子芯片等前沿领域的发展提供了底层工艺支撑。

回望这些年的研究与从业历程，从考研复试时那句简单的英文翻译，到如今深入参与激光直写技术的实验优化与工程应用，我愈发清晰地认识到：激光辅助直写技术，从来都不是束之高阁的前沿理论，而是接地气、能落地、有价值的核心工程技术——它既支撑着高端光学仪器的研发创新，也在悄悄改变着我们的日常生活；它既需要非专业读者能理解的通俗逻辑，也需要专业从业者深耕细研的技术细节。对于光学工程专业的研究生而言，研究这项技术，不仅要扎实掌握其原理与工艺，更要深刻理解其应用价值——每一次参数的细微优化，每一次系统的迭代改进，都是在为现代光学技术的发展添砖加瓦；每一个用激光“写”出的微纳结构，都是推动行业进步的微小力量。

如今，再提及那句考研复试真题，我早已不再是当年那个只懂译法、不懂内涵的考生。激光辅助直写技术，就像那句英文翻译一样，看似简洁直白，却蕴含着无穷的技术深度与应用可能。它是一项先进的光学加工技术，更是一种追求极致、精益求精的科研态度与行业精神。对于普通读者而言，了解它，就能读懂现代光学技术的“微观密码”；对于专业从业者而言，深耕它，就能在微纳加工的赛道上，书写属于自己的科研成果与行业价值。我始终坚信，随着技术的不断突破与创新，这项从复试真题中走进我生活的技术，终将在更多前沿领域绽放光彩，成为支撑未来科技发展的“隐形工匠”。