CN102122118A - 激光直写装置 - Google Patents

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范永涛
徐文东
郝春宁
刘前
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一种激光直写装置，特点之一在于其构成包括刻写光源、离焦检测模块、光谱分光镜、调焦PZT、物镜、二维XY电机平台、Y轴校正平台、待刻样品、激光干涉仪、总控制器和防震台，采用由大行程二维XY电机平台和小行程的Y轴校正平台的组合结构作为样品位移台；特点之二是采用激光干涉仪测量X、Y轴的距离变化，并利用激光干涉仪所发出的位置脉冲信号，同时实现X轴的运动与激光脉冲的同步、X轴在运动过程中Y轴的精密校正。本发明可以在大范围内实现高精度的快速刻写，能够在大范围内刻写任意形状的微纳图形和构造，具有较高的实用价值。

Description

激光直写装置
技术领域
本发明是一种大范围的激光直写装置，主要适用于微纳加工领域。
背景技术
激光直写技术是一种将激光束会聚成极小的光点对光敏或热敏薄膜材料进行作用，直接生成微纳图形的技术。相对于其它微纳加工手段，具有成本低、加工周期短、使用灵活、环境要求低等诸多优点。激光直写技术在微电子、集成光学(DOEs)、微机电系统(MEMs)，混合集成电路、微波集成电路制作方面获得广泛应用，是一种具有广阔发展前景的实用技术。
在先技术中，存在以下几种激光直写装置：
(1)模块化激光直刻装置(参见发明专利“模块化的激光直刻装置”，专利号CN200720072320)，该装置中采用压电陶瓷(以下简称为PZT)位移台作为样品台，具有较高位置精度，但由于PZT的位移原理限制，其运动范围仅为微米级，难以达到毫米量级，仅能作为实验室研究平台，并不能用它来加工生产具有实际用途的微纳器件；
(2)直角坐标和极坐标系一体的激光直写设备(参见《光子学报》2002年第31卷第5期)，该装置具备大范围刻写二元光学元件的能力，但仅能刻画较为简单的线条，并不具备加工复杂的微纳图形的能力，所以其应用范围同样具有很大局限性。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术问题的不足，提供了一种激光直写装置，该装置应在保证刻写精度的同时，能够在大范围内刻写任意形状的微纳图形和构造，具有较高的实用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光直写装置，特点在于其构成包括刻写光源、离焦检测模块、光谱分光镜、调焦PZT、物镜、二维XY电机平台、Y轴校正平台、待刻样品、激光干涉仪、总控制器和防震台，上述部件的位置关系如下：
在所述的防震台上设置所述的二维XY电机平台和总控制器，在所述的二维XY电机平台上固定所述的Y轴校正平台，待刻样品置于所述的Y轴校正平台上；所述的刻写光源和离焦检测模块分别位于所述的光谱分光镜的两侧，所述的光谱分光镜与刻写光源和离焦检测模块发出的光束均成45°；所述的调焦PZT连接在所述的物镜上，以驱动物镜沿Z方向微动进行调焦，以保障由所述的刻写光源或离焦检测模块发出的激光经所述的光谱分光镜和物镜后聚焦在所述的待刻样品表面上；所述的激光干涉仪的两面反射镜固定在所述的Y轴校正平台的相邻的相互垂直的两个侧面上，两激光头固定在所述的防震台上，该两激光头发射的激光与所述的两面反射镜垂直；所述的总控制器分别与所述的刻写光源、离焦检测模块、调焦PZT、二维电机平台、Y轴校正平台、激光干涉仪相连，分别对各个模块或器件进行控制或获取数据。
所述的Y轴校正平台由固定底座、微调PZT、滑块三部分组成，所述的微调PZT一端固定于固定底座上，另一端固定在滑块上，以推动所述的滑块沿Y方向微动。
所述的刻写光源为内调制的半导体激光器、气体激光器+外部光强调制器件或固体激光器+外部光强调制部件构成，所述的外部光强调制部件为声光调制器或电光调制器。
所述的离焦检测模块是象散法离焦检测模块、刀口法离焦检测模块或二象限离焦检测模块。
所述的二维电机平台为直线电机、步进电机、直流电机、交流变频电机所驱动的二维直线平台。
所述的激光干涉仪为单频激光干涉仪或双频激光干涉仪。
本发明的有益效果如下：
与现有技术相比，本发明采用由大行程二维XY电机平台和小行程的Y轴校正平台的组合结构作为样品位移台；是采用激光干涉仪测量X、Y轴的距离变化，并利用激光干涉仪所发出的位置脉冲信号，同时实现X轴的运动与激光脉冲的同步、X轴在运动过程中Y轴的精密校正。采用了由PZT驱动的Y轴校正平台，可以校正X轴在大范围内直线度无法达到绝对理想值而引起的Y方向偏差；同时，利用激光干涉仪发出的位置脉冲信号触发总控制器发出电脉冲，该电脉冲驱动刻写光源模块发出光脉冲刻写样品，如此实现了样品位移与激光脉冲的严格同步，保证二维电机平台在X方向快速运动过程中仍然可以在预定位置进行刻写。采用上述两方面措施后，可以在大范围内实现高精度的快速刻写。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明的Y轴校正平台的结构示意图。
图3为本发明的X轴样品位移与刻写激光脉冲同步的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1，本发明激光直写装置，包括刻写光源1、离焦检测模块2、光谱分光镜3、调焦PZT4、物镜5、二维XY电机平台6、Y轴校正平台7、待刻样品8、激光干涉仪9、总控制器10和防震台11，上述部件的位置关系如下：
在所述的防震台11上设置所述的二维XY电机平台6和总控制器10，在所述的二维XY电机平台6上固定所述的Y轴校正平台7，待刻样品8置于所述的Y轴校正平台7上，所述的刻写光源1和离焦检测模块2分别位于所述的光谱分光镜3的两侧，所述的光谱分光镜3与刻写光源1和离焦检测模块2发出的光束均成45°；所述的调焦PZT4连接在所述的物镜5上，以驱动物镜5沿Z方向微动进行调焦，以保障由所述的刻写光源1或离焦检测模块2发出的激光经所述的光谱分光镜3和物镜5后聚焦在所述的待刻样品8表面上；所述的激光干涉仪9的两面反射镜9-1、9-4固定在所述的Y轴校正平台7的相邻的相互垂直的两个侧面上，两激光头9-2、9-3固定在所述的防震台11上，两激光头9-2、9-3发射的激光与所述的两面反射镜9-1、9-4垂直；所述的总控制器10分别与所述的刻写光源1、离焦检测模块2、调焦PZT4、二维XY电机平台6、Y轴校正平台7、激光干涉仪9相连，分别对各个模块或器件进行控制或获取数据。
如图2所示，所述的二维XY电机平台6由Y轴直线导轨6-1和X轴直线导轨6-2组成，所述的Y轴校正平台7固定在Y轴直线导轨6-1上，它由固定底座7-1、微调PZT 7-2、滑块7-3三部分组成，微调PZT 7-2一端固定于固定底座7-1上，另一端固定在滑块7-3上，可推动滑块7-3沿Y方向微动。待写样品8固定在滑块7-3上方，激光干涉仪9的反射镜9-1固定在滑块7-3的侧面，用来测量待刻样品8在X方向运动过程中Y方向上的距离变化。
本发明的工作过程如下：
首先将待刻写样品8放置在Y轴校正台7上，总控制器10读取离焦探测模块2检测到的离焦信息，输出信号反馈控制调焦PZT 4的伸长量，使刻写样品8的表面一直位于物镜5的焦深范围内。总控制器10在控制二维xy电机平台6和Y轴校正平台7运动的过程中，同时向刻写光源1同步发出电脉冲，进而驱动刻写光源1发出光脉冲对刻写样品8进行刻写。总控制器10控制二维xy电机平台6在X方向上作直线运动，Y方向保持不动，但在此过程中Y轴校正平台7进行微动，补偿X方向运动过程中Y方向的偏差，之后Y方向步进一段距离，X方向继续作直线运动，重复上述过程，直至将整个待刻样品8刻写完成。
二维xy电机平台6的运动和激光脉冲的同步发出是本发明的关键，下面将结合附图作进一步说明。
如图2所示，Y轴校正模块的工作过程如下：激光干涉仪9的激光发射头9-2和反射镜9-1测量Y轴的距离变化，其控制器9-0将距离变化转换为电脉冲输出给总控制器10，总控制器10对脉冲进行计数，并据此信号反馈控制微调PZT 7-2的伸长量，使样品台在X方向运动过程中，Y方向位置一直保证在误差允许范围内。
如图3所示，X轴方向运动与调制脉冲同步发生的过程如下：激光干涉仪9的激光发射头9-3和反射镜9-4用来测量X轴的距离变化，其控制器9-0将距离变化转换为电脉冲输出给总控制器10，总控制器10对脉冲信号进行计数并进行简单分频处理后输出电脉冲给刻写光源模块1，进而发出激光脉冲。具体来讲，假设经过细分的激光干涉仪每隔20nm发出一个位置脉冲信号，而刻写点之间的间距要求为100nm，则总控制器10对激光干涉仪9的X轴位置脉冲信号进行计数，每5个为一个周期，并用每个周期的第一个脉冲信号作为触发信号，发出调制电脉冲信号给刻写光源1。
通过这种办法，实现了样品X轴运动和激光脉冲在任意刻写位置的同步，所以本发明装置具备刻写任意复杂图形的能力，而不是仅能刻写简单的线条，具有较广范的应用范围。
本发明所述的刻写光源1可为内调制的半导体激光器、气体激光器+外部光强调制器件或固体激光器+外部光强调制部件构成，所述的外部光强调制部件为声光调制器或电光调制器。
所述的离焦检测模块2是象散法离焦检测模块、刀口法离焦检测模块或二象限离焦检测模块。
所述的二维电机平台6可为直线电机、步进电机、直流电机或交流变频电机所驱动的二维直线平台。
所述的激光干涉仪9可为单频激光干涉仪或双频激光干涉仪。
实验表明，本发明装置可以实现待刻样品的位移与激光脉冲的严格同步，保证二维电机平台在X方向快速运动过程中仍然可以在预定位置进行刻写。因此可以在大范围内实现高精度的快速刻写。能够在大范围内刻写任意形状的微纳图形和构造，具有较高的实用价值。

Claims (6)

1.一种激光直写装置，特征在于其构成包括刻写光源(1)、离焦检测模块(2)、光谱分光镜(3)、调焦PZT(4)、物镜(5)、二维XY电机平台(6)、Y轴校正平台(7)、待刻样品(8)、激光干涉仪(9)、总控制器(10)和防震台(11)，上述部件的位置关系如下：
在所述的防震台(11)上设置所述的二维XY电机平台(6)和总控制器(10)，在所述的二维XY电机平台(6)上固定所述的Y轴校正平台(7)，待刻样品(8)置于所述的Y轴校正平台(7)上；所述的刻写光源(1)和离焦检测模块(2)分别位于所述的光谱分光镜(3)的两侧，所述的光谱分光镜(3)与刻写光源(1)和离焦检测模块(2)发出的光束均成45°；所述的调焦PZT(4)与所述的物镜(5)固定连接，以驱动物镜(5)沿Z方向微动进行调焦；所述的激光干涉仪(9)的两面反射镜(9-1、9-4)固定在所述的Y轴校正平台(7)的相邻的相互垂直的两个侧面上，两激光头(9-2、9-3)固定在所述的防震台(11)上，两激光头(9-2、9-3)发射的激光与所述的两面反射镜(9-1、9-4)垂直；所述的总控制器(10)分别与所述的刻写光源(1)、离焦检测模块(2)、调焦PZT(4)、二维电机平台(6)、Y轴校正平台(7)、激光干涉仪(9)相连，分别对各个模块或器件进行控制或获取数据。
2.根据权利要求1所述的激光直写装置，其特征在于所述的Y轴校正平台(7)由固定底座(7-1)、微调PZT(7-2)、滑块(7-3)三部分组成，所述的微调PZT(7-2)一端固定于固定底座(7-1)上，另一端固定在滑块(7-3)上，以推动所述的滑块(7-3)沿Y方向微动。
3.根据权利要求1所述的激光直写装置，其特征在于所述的刻写光源(1)为内调制的半导体激光器、气体激光器+外部光强调制器件或固体激光器+外部光强调制部件构成，所述的外部光强调制部件为声光调制器或电光调制器。
4.根据权利要求1所述的激光直写装置，其特征在于所述的离焦检测模块是象散法离焦检测模块、刀口法离焦检测模块或二象限离焦检测模块。
5.根据权利要求1所述的激光直写装置，其特征在于所述的二维电机平台(6)为直线电机、步进电机、直流电机、交流变频电机所驱动的二维直线平台。
6.根据权利要求1至5任一项所述的激光直写装置，其特征在于所述的激光干涉仪(9)为单频激光干涉仪或双频激光干涉仪。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: SUZHOU HUAWEINA NANO TECHNOLOGY CO., LTD.

Assignor: Shanghai Optical Precision Machinery Inst., Chinese Academy of Sciences

Contract record no.: 2012310000016

Denomination of invention: Y-shaped waveguide laser direct writing device

License type: Exclusive License

Open date: 20110713

Record date: 20120217

C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20110713

EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract

Assignee: SUZHOU HUAWEINA NANO TECHNOLOGY CO., LTD.

Assignor: Shanghai Optical Precision Machinery Inst., Chinese Academy of Sciences

Contract record no.: 2012310000016

Date of cancellation: 20150413

LICC Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model