CN102621823A - 多光束并行激光直写装置及其直写方法 - Google Patents

Abstract

一种多光束并行激光直写装置及其直写方法，本发明将达曼光栅分光器件结合双光子吸收具有稳定性好、分辨率高的特点，易于制作周期性微纳结构材料，可以上百倍地提高加工效率，本发明非常适用于大面积周期性微纳光学结构的加工和工业生产。

Description

多光束并行激光直写装置及其直写方法

技术领域

本发明涉及光学微纳结构加工，特别是一种多光束并行激光直写装置及其直写方法。

背景技术

过去几十年，光学和光子学领域已经取得了巨大的进展，例如光学波导结构、光电能量转换、固态照明器件、激光以及光学传感器等技术的进展都得益于二维光刻技术的发展。微电子加工技术正在快速向着纳米尺度方向发展，而光学领域的光刻技术近年来也发展迅速。基于三维完全光子带隙结构的三维光子电路技术近年来也已经趋于成熟。对于三维光子晶体结构中的“手性”光子晶体功能材料的加工，激光直写光刻技术具有非常大的优势。

在光学微纳结构加工领域，纳米结构光子晶体材料的制造技术近年来发展迅速。这些制造技术大致包括以并行方式实现大面积微纳结构加工和以牺牲效率为代价的单点式灵活性加工方案，例如激光全息光刻、相位掩膜光刻等。激光全息光刻和相位掩膜光刻的应用范围非常广泛。激光全息光刻实现完全光子带隙结构的主要困难就是既定功能缺陷的引入，只能加工几种特定周期性结构，因此很难实用化。相位掩膜光刻可以通过掩模板产生特定性质的目标光束，但是其困难在于高精度掩模板的设计和制造。中国科学院上海光机所麻健勇等人发明了一套多光束并行直写光栅的装置，申请号（201110188988.5）。该装置采用达曼光栅分束并行直写，提高了直写加工的效率。但是其刻写对象主要是一维光栅的加工，而且由于光学衍射极限的限制，其加工的结构尺寸较大，精度较低。而对于结构尺寸为纳米级的微结构还不能加工，至于三维纳米级结构，例如材料学领域的三维纳米“手性”光子晶体材料，更是无法加工。

激光直写光刻技术通过超快超强激光束聚焦于光敏聚合物表面，如果焦点的能量足够高，通过多光子吸收可以使材料聚合，即使光敏材料对于刻写波长是完全透明。理论上利用双光子吸收效应的激光直写技术能够产生的特征尺寸小于瑞利衍射极限，实际应用中还受限于加工时间过长、激光光源能量不稳定等因素的制约。

由于双光子光刻可以实现真正意义上的的三维立体加工，在制造三维光子晶体领域具有明显的优势。该技术在光子器件、微机电系统（MEMS）的加工中得到了广泛应用，并显示出了很多新特性。本发明提出利用达曼光栅结合双光子吸收技术，相对于单点直写技术，提高了加工的效率，适合高精度大面积三维光子晶体材料的刻写加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多光束并行激光直写装置及其直写方法，运用达曼光栅分束并行直写技术结合双光子吸收效应的优点，达到了高分辨率、高质量的快速并行加工的目的，该方法结构简单，可操作性强，在材料领域解决大面积高精度纳米级结构光子晶体材料的制备等方面，具有重要的应用前景。

本发明的基本构思如下： 

高强度的飞秒激光所产生的飞秒脉冲经过达曼光栅分束，经过透镜并在透镜的焦平面处产生能量相等、分布均匀、形状一致的激光光斑，作用于具有荧光特性的特殊处理的材料后，产生双光子吸收（或多光子吸收），对光敏材料进行精准曝光，完成特定的纳米级形状结构的写入。双光子吸收可突破衍射极限，结合达曼光栅分束并行直写技术，应用于材料加工领域三维纳米光子晶体材料的直写加工，该技术尤其适用于加工高精度的三维“手性”纳米光子晶体材料，在突破瑞利衍射极限限制的前提下，上百倍的提高普通单点式激光直写光刻技术的加工效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种多光束并行激光直写装置，包括刻写光路、探测光路、三维移动机构和计算机，其特点在于：

所述的刻写光路包括飞秒激光器，沿该飞秒激光器的激光输出前进方向，依次是小孔光阑、扩束透镜组、达曼光栅、第一扩束透镜、渐变折射率滤波片、第二扩束透镜、转接透镜组、光谱分光镜、显微物镜和刻写材料，该刻写材料置于所述的三维移动机构上，该三维移动机构由自上而下的z向压电陶瓷驱动器、高精度调平台和二维位移台组成；

所述的探测光路包括光纤激光器、光束扩束会聚系统、偏振分光棱镜、四分之一波片、光谱分光镜、滤光片、透镜、 -柱面透镜、四象限探测器，该探测光路的顺序是：光纤激光器输出的线偏振光经过扩束会聚系统后的扩束光束经过偏振分光棱镜反射后向下，经过四分之一波片将线偏振光变为圆偏振光，透过光谱分光镜、显微物镜入射到刻写材料表面，经刻写材料表面反射后依次经过显微物镜、光谱分光镜、四分之一波片并变为线偏振光，且偏振方向与入射光垂直，而后经偏振分光棱镜透射，并依次经过滤光片、透镜和柱面透镜，被所述的四象限探测器接收；

所述的四象限探测器的输出端与计算机的输入端相连，该计算机的输出端与所述的z向压电陶瓷驱动器和二维位移台的控制端相连。

所述的达曼光栅为1×32、1×64、1×128分束结构，

利用上述的光学三维微纳结构的加工装置进行直写加工的方法，其特点在于该方法包括以下步骤：

①根据需求设计出三维纳米光子晶体的结构参数，同时选定对应分束能力的达曼光栅；

②将待刻写的具有双光子吸收特性材料，简称为样品，置于所述的z向压电陶瓷驱动器上，调节刻写光路和探测光路，使两束光焦点重合并均聚焦于刻写样品表面；

③将所需加工的三维纳米光子晶体的结构参数和相应的控制软件输入计算机，由计算机接收所述的四象限探测器的信号适时驱动所述的z向压电陶瓷驱动器和二维位移台的运动，自动完成样品三维微纳结构的刻写；

④将样品进行后烘、显影、烘干操作，得到三维纳米光子晶体。

本发明的核心原理思想如图1所示，由图可知，激光脉冲经过透镜前焦面处的达曼光栅分束，之后经过透镜聚焦并在后焦面产生点阵列。把具有荧光特性的、经特殊处理的光敏聚合材料放置在透镜的后焦面处进行曝光刻写，并行的多束超强超快飞秒激光束同时对光敏材料进行曝光，在荧光材料内部激发产生双光子吸收，利用光敏材料的阈值特性同时对材料多处进行并行曝光刻写，大大提高了刻写效率和曝光分辨率。

所述的刻写光束为超强超快的飞秒脉冲，所述的刻写材料为具有荧光特性的特殊处理的材料，多束超强超快飞秒子脉冲作用于该材料后同时产生双光子吸收（或多光子吸收）非线性效应，诱导产生激发辐射，对刻写材料进行精准曝光。

所述的双光子吸收是指在强激光作用下，介质分子同时吸收两个光子通过一个虚拟中间态跃迁到高能态的过程。双光子吸收具有可突破衍射极限进行加工的特点, 激发光束对介质穿透率高，并且吸收强度与入射光强的平方成正比，因此, 在紧聚焦情况下,双光子吸收只局限在焦点附近极小的空间内,具有高度空间选择性，可以实现真正意义上的三维立体刻写加工，可以突破瑞利衍射极限的限制。

所述的达曼光栅为1×32、1×64、1×128的分束结构，所述的达曼光栅衍射效率为70%以上，所述的达曼光栅理论分束的光束各点能量相等、分布均匀。

所述的双光子吸收产生的刻写曝光能力相对于普通激光束曝光来说，激发光束对介质穿透率更高，能量被严格的控制在焦平面处的一点，能够对刻写材料内部的一点进行精准的曝光，如图2（a），而且由于双光子吸收可突破衍射极限的限制，可达到亚微米至纳米级；而一般的激光束激发机制下的激光脉冲对于焦点前后经过的位置均产生能量分布，焦前焦后光束经过的位置均被激发曝光，形成了类似于两个锥形结构而不是一个点，无法进行精确的三维刻写控制，如图2（b）。而利用双光子吸收结合达曼光栅分束并行直写技术，能够充分发挥双光子吸收的优点，提高直写光刻的效率和质量。

本发明装置与现有技术相比，具有如下创新性：

①本装置具有真正三维微纳结构的并行加工能力，而现有的装置仅能够进行平面结构的加工。

②本装置利用达曼光栅结合双光子吸收效应进行刻写加工，具有突破衍射极限的高分辨率以及对材料进行精准的曝光刻写等优点，而现有装置只是应用达曼光栅进行简单的分束刻写，光斑质量和刻写精度无法得到保证，更无法进行纳米级结构的加工。

附图说明

图1是双光子吸收结合达曼光栅分束直写的原理图。

图2是双光子吸收聚焦特性原理图。

图3是本发明多光束并行激光直写装置的光路结构图。

1—飞秒激光器，2—小孔光阑，3—扩束透镜组，4—达曼光栅，5—反射镜，6—扩束透镜，7—渐变折射率滤波片，8—扩束透镜，9—转接透镜，10—转接透镜，11—光谱分光镜，12—四分之一波片，13—偏振分光棱镜，14—光束扩束会聚系统，15—光纤激光器，16—滤光片，17—透镜，18-—柱面透镜，19—四象限探测器，20—显微物镜，21—刻写材料，22—z向压电陶瓷驱动器（PZT），23—高精度调平台，24—二维位移台，25—计算机。

具体实施方式

下面结合制作过程的具体应用和附图对本发明进行进一步说明，但本发明的应用不局限于此。

先请参阅图3，图3为本发明多光束并行激光直写装置的光路结构图。由图可见，本发明多光束并行激光直写装置，包括刻写光路、探测光路、三维移动机构和计算机，其特点在于：

所述的刻写光路包括飞秒激光器1，沿该飞秒激光器1的激光输出前进方向，依次是小孔光阑2、扩束透镜组3、达曼光栅4、第一扩束透镜6、渐变折射率滤波片7、第二扩束透镜8、转接透镜组9和10、光谱分光镜11、显微物镜20和刻写材料21，该刻写材料21置于所述的三维移动机构上；

该三维移动机构由自上而下的z向压电陶瓷驱动器22、高精度调平台23和二维位移台24组成；

所述的探测光路包括光纤激光器15、光束扩束会聚系统14、偏振分光棱镜13、四分之一波片12、光谱分光镜11、滤光片16、透镜17、 -柱面透镜18、四象限探测器19，该探测光路的构成是光纤激光器15输出的线偏振光经过扩束会聚系统14后的扩束光束经过偏振分光棱镜13反射后向下，经过四分之一波片12将线偏振光变为圆偏振光，透过光谱分光镜11、显微物镜20入射到刻写材料21表面，经刻写材料21表面反射后依次经过显微物镜20、光谱分光镜11、四分之一波片12并变为线偏振光，且偏振方向与入射光垂直，而后经偏振分光棱镜13透射，并依次经过滤光片16、透镜17和柱面透镜18，被所述的四象限探测器19接收，所述的四象限探测器19的输出端与计算机25的输入端相连，该计算机25的输出端与所述的z向压电陶瓷驱动器22和二维位移台24的控制端相连。

所述的达曼光栅4为1×32、1×64、1×128的分束结构。

利用上述多光束并行激光直写装置进行三维纳米“手性”光子晶体材料的直写加工的方法，该方法包括以下步骤：

①根据需求设计出三维纳米光子晶体的结构参数，同时选定对应分束能力的达曼光栅；

②将待刻写的具有双光子吸收特性材料，简称为样品，置于所述的z向压电陶瓷驱动器22上，调节刻写光路和探测光路，使两束光焦点重合并均聚焦于刻写样品表面；

③将所需加工的三维纳米光子晶体的结构参数和相应的控制软件输入计算机，由计算机接收所述的四象限探测器19的信号适时驱动所述的z向压电陶瓷驱动器22和二维位移台24的运动，自动完成样品三维微纳结构的刻写；

④将样品进行后烘、显影、烘干操作，得到三维纳米光子晶体。

其中红光离焦检测光路利用像散法进行离焦差动检测。双光子吸收结合飞秒脉冲并行刻写三维“手性”光子晶体材料的过程为：超强超快飞秒激光器1经滤波扩束后入射到达曼光栅进行分束，多束并行飞秒脉冲经过扩束系统6和8进行扩束后，由渐变折射率滤波片7进行子光束能量校准，之后经过转接透镜组9和10并有光谱分光镜(11，对刻写波长高反，对红光高透)反射，进入显微物镜20，并行飞秒光束对置于显微物镜焦平面的刻写基片21进行作用，产生双光子吸收，对荧光材料激发曝光，完成刻写操作。由压电陶瓷驱动器22和二维位移台24组成三维移动台，其在z向具有非常高的位置精度，保证了三维纳米光子晶体材料的刻写精度。

本发明可应用于微纳光学结构的刻写加工，尤其适用于大面积三维光学微纳结构的制造，例如三维“手性”纳米光子晶体材料、特定功能缺陷的三维微纳结构材料等加工领域。

Claims (3)

1.一种多光束并行激光直写装置，包括刻写光路、探测光路、三维移动机构和计算机，其特征在于：

所述的刻写光路包括飞秒激光器（1），沿该飞秒激光器（1）的激光输出前进方向，依次是小孔光阑（2）、扩束透镜组（3）、达曼光栅（4）、第一扩束透镜（6）、渐变折射率滤波片（7）、第二扩束透镜（8）、转接透镜组（9和10）、光谱分光镜（11）、显微物镜（20）和刻写材料（21），该刻写材料（21）置于所述的三维移动机构上，该三维移动机构由自上而下的z向压电陶瓷驱动器（22）、高精度调平台（23）和二维位移台（24）组成；

所述的探测光路包括光纤激光器（15）、光束扩束会聚系统（14）、偏振分光棱镜（13）、四分之一波片（12）、光谱分光镜（11）、滤光片（16）、透镜（17）、 -柱面透镜（18）、四象限探测器（19），该探测光路的顺序是：光纤激光器（15）输出的线偏振光经过扩束会聚系统（14）后的扩束光束经过偏振分光棱镜（13）反射后向下，经过四分之一波片（12）将线偏振光变为圆偏振光，透过光谱分光镜（11）、显微物镜（20）入射到刻写材料（21）表面，经该刻写材料（21）表面反射后依次经过显微物镜（20）、光谱分光镜（11）、四分之一波片（12）并变为线偏振光，且偏振方向与入射光垂直，而后透过偏振分光棱镜（13），并依次经过滤光片（16）、透镜（17）和柱面透镜（18），被所述的四象限探测器（19）接收；

所述的四象限探测器（19）的输出端与计算机（25）的输入端相连，该计算机（25）的输出端与所述的z向压电陶瓷驱动器（22）和二维位移台（24）的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的多光束并行激光直写装置，其特征在于所述的达曼光栅（4）为1×32、1×64或1×128的分束结构。

3.利用权利要求1所述的多光束并行激光直写装置进行直写加工的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

①根据需求设计出三维纳米光子晶体的结构参数，同时选定对应分束能力的达曼光栅（4）；

②将待刻写的具有双光子吸收特性光子晶体材料，简称为样品，置于所述的z向压电陶瓷驱动器（22）上，调节刻写光路和探测光路，使两束光焦点重合并均聚焦于所述的刻写样品（21）的表面；

③将所需加工的三维纳米光子晶体的结构参数和相应的控制软件输入计算机（25），由计算机接收所述的四象限探测器（19）的信号实时驱动所述的z向压电陶瓷驱动器（22）和二维位移台（24）的运动，自动完成样品三维微纳结构的刻写；

④将样品进行后烘、显影、烘干操作，得到三维纳米光子晶体。

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