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径向偏振激光赋能双光子加工：特性、应用与前景探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代科技的飞速发展，对微纳加工技术的精度和效率提出了越来越高的要求。在众多微纳加工技术中，双光子加工技术以其独特的优势脱颖而出，成为研究热点之一。双光子加工基于双光子吸收效应，能够实现高精度的三维微纳结构制造，在微机电系统（MEMS）、生物医学、光学器件等领域具有广泛的应用前景。

与此同时，激光作为一种重要的加工工具，其偏振特性对加工效果有着显著影响。径向偏振激光作为一种特殊的偏振光，具有独特的电场分布和聚焦特性，在材料加工、光学成像、粒子操控等领域展现出巨大的应用潜力。与传统的线偏振光和圆偏振光相比，径向偏振激光在高数值孔径透镜聚焦时，能够产生超越衍射极限的极小焦点，且焦点区域的纵向电场增强，这使得它在微纳加工领域具有独特的优势。

将径向偏振激光应用于双光子加工中，有望进一步提高双光子加工的精度和效率，拓展双光子加工的应用范围。目前，虽然已有一些关于径向偏振激光和双光子加工技术的研究，但将二者结合的研究还相对较少，相关的理论和实验研究仍有待深入。因此，开展径向偏振激光在双光子加工中的应用研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

在理论方面，研究径向偏振激光在双光子加工中的作用机制，有助于深入理解双光子吸收过程中光与物质的相互作用，丰富和完善微纳加工的理论体系。通过建立精确的理论模型，能够更准确地预测和控制双光子加工过程，为优化加工工艺提供理论依据。

在实际应用方面，径向偏振激光与双光子加工技术的结合，可能为众多领域带来新的突破。在微机电系统制造中，可以实现更高精度的微纳结构加工，提高器件的性能和可靠性；在生物医学领域，有助于制造更加精细的生物芯片、微流控芯片等，推动生物医学检测和治疗技术的发展；在光学器件制造中，能够制备出高性能的微纳光学元件，如超分辨透镜、光子晶体等，满足光通信、光学成像等领域对高性能光学器件的需求。

1.2国内外研究现状

1.2.1径向偏振激光研究现状

径向偏振激光的研究始于20世纪70年代，1972年，日本Tohoku大学的Y.Mushiake等人首次在氦氖激光器谐振腔中应用圆锥电介质元件，通过给除径向偏振外的其它偏振分量以高损耗，成功输出了径向偏振光束，开启了径向偏振激光研究的先河。此后，各国科研人员对径向偏振激光的产生方法、特性及应用展开了广泛研究。

在产生方法方面，早期主要采用腔内插入特殊元件的方式来实现径向偏振激光的输出，如1985年中科院高能物理研究所的庄杰佳利用四块扇形半波片胶合成的光学元件产生了径向偏振光；1999年俄罗斯科学院的A.V.Nesterov等人在CO?激光器中放置偏振选择性的衍射镜获得径向偏振光输出。随着研究的深入，更多新颖的方法被提出，如空间亚波长金属条纹光栅法、C-cutNd:YVO?晶体双折射法、圆锥形布鲁斯特棱镜法、相干偏振操纵法以及组合半波片法等。近年来，衍射光栅反射镜成为产生径向偏振激光的新兴趋势，它利用光的衍射原理，通过精心设计的光栅结构，能够实现高功率且高质量的径向偏振激光输出，可实现大规模的光能量集中，同时保持光束的偏振稳定性。

在特性研究方面，研究人员发现径向偏振激光具有许多独特的性质。它具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环形光束结构，只有横向的磁场和沿轴的纵向的电场。在高数值孔径透镜聚焦时，径向偏振激光可以产生超越衍射极限的极小焦点，比线偏振光和圆偏振光的聚焦点小得多，且焦点区域的纵向电场显著增强。这种聚焦特性使得径向偏振激光在光刻、共焦显微、光学存储和粒子诱导等领域展现出巨大的应用潜力。例如，在光刻领域，更小的聚焦光斑能够实现更高分辨率的图案刻写，有助于推动集成电路制造向更小尺寸发展；在共焦显微领域，可提高成像的分辨率和对比度，更清晰地观察微观结构。

在应用研究方面，径向偏振激光在材料加工、光学成像、粒子操控等多个领域得到了应用。在材料加工领域，尤其是金属加工，径向偏振光振动方向始终垂直于金属表面，角度对切割无影响，其金属切割效率是圆偏振光的两倍，且钻孔时加工表面更加清晰圆滑。在光学成像领域，径向偏振光可用于提高显微镜的分辨率，如在一种特定形式的显微镜技术中得到应用，有助于观察细胞内部的精细结构和动态过程。在粒子操控领域，聚焦的径向偏振光的轴向分量能提供极大的梯度力，形成三维光阱，可稳定捕获金属粒子，且在捕获微米尺寸的介电粒子时具有更高的轴向捕获效率。

1.2.2双光子加工技术研究现状

双光子加工技术基于双光子吸收效应，其理论最早由Goppert-Mayer于20世纪30年代提出，1961年得到实验验证。1990年，Denk等将双光子激发用于荧光激发系统，制造出世界上第一台双光子扫描显微镜