CN102950382B - 用于刻蚀电控衍射光学器件的激光直写刻蚀系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于刻蚀电控衍射光学器件的激光直写刻蚀系统及利用其制备电控衍射光学器件的方法，该系统包括用于发射单束激光束的激光器、用于固定刻蚀样品的可控载物台、激光倍频系统和光束整形系统，优点是通过激光倍频系统将激光器发射的单束激光束转换为紫外激光束，利用光束整形系统使从激光倍频系统输出的紫外激光束通过光束整形系统后形成为一聚焦光斑，使用时将刻蚀样品即聚合物分散液晶光开关放置于光束整形系统输出的聚焦光斑的焦平面上，这样光束整形系统输出的聚焦光斑照射于刻蚀样品上就完成了微米级的图案的刻蚀，不仅结构简单，而且操作方便；该方法能够在聚合物分散液晶光开关上刻蚀出各类一维、二维微结构及衍射光学器件。

Description

用于刻蚀电控衍射光学器件的激光直写刻蚀系统及其方法

技术领域

 本发明涉及一种激光直写技术及衍射光学器件制备技术，尤其是涉及一种用于刻蚀电控衍射光学器件的激光直写刻蚀系统及利用其制备电控衍射光学器件的方法。

背景技术

衍射光学器件是一种在基片或传统光学元件表面上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成同相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类光学元件。利用衍射光学元件制作的各类光学器件在光传感、光通信、光计算、光存储、光互连、激光医学等诸多领域中有着广泛的应用前景。

同时，随着信息技术、集成光学、光学传感的快速发展，传统的衍射光学器件已满足不了实际的生产需求，而聚合物分散液晶（PDLC）在显示领域有着优异特性，因此人们逐步尝试将其用于各类衍射光学器件的设计和制作中。例如：上海理工大学的庄松林等人已基于全息干涉的方法制作了一种高衍射效率的H-PDLC（全息聚合物分散液晶）体全息光栅，其还基于衍射效率理论设计并制作了一种电控聚合物分散液晶全息透镜。

然而目前，直接基于PDLC的微结构加工技术鲜有报道，大多是基于H-PDLC材料的全息光刻技术来制备各种衍射光学器件。而由于H-PDLC中往往需要额外掺入各种光敏聚合物、交联剂等化学物质，因此相较于普通的PDLC的制作更为复杂、成本也更高，同时H-PDLC的加工精度还容易受材料本身的光刻分辨率的影响，故而H-PDLC有着较大的局限性。

另外近年来，随着大功率、窄脉宽激光器的迅速发展，激光加工技术也取得了较大的进展。一般情况下，对于红外、近红外的纳秒激光，将其高功率激光束经透镜汇聚后，材料中的电子通过对光子的线性吸收获得热能，将材料逐步熔化、蒸发去除；而对于紫外波段的准分子激光，通过材料线性吸收大能量的单个光子就可直接切断其中的分子或原子结合键，在表面生成等离子体，减小了刻蚀过程中热扩散的影响；而自上世纪90年代以来，红外飞秒激光技术的成熟使得激光与原子、分子、离子、自由电子、团簇以及等离子体的相互作用研究进入到一个高度非线性的场强范围。因此，在几乎所有材料中价电子均可通过非线性机制电离，如多光子电离和雪崩电离，从而导致材料的永久改变。特别是紫外超快激光技术的成熟，进一步减小了一般红外飞秒激光刻蚀过程中的热扩散影响，进一步提高了刻蚀精度和刻蚀图案的质量。

可见，对于电控衍射光学器件来说，传统的在H-PDLC上采用全息光刻的方法具有一定的局限性，而激光直写技术操作灵活简便，刻蚀图形丰富，并且随着大功率紫外超快激光技术的完善，如何在PDLC基础上刻蚀各类一维、二维微结构及衍射光学器件，已成为衍射光学器件发展的一个值得解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便快捷的用于刻蚀电控衍射光学器件的激光直写刻蚀系统，及一种利用该激光直写刻蚀系统制备电控衍射光学器件的方法，该方法操作灵活简单，能够方便、快速的在聚合物分散液晶光开关上刻蚀出各类一维、二维微结构及衍射光学器件。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种激光直写刻蚀系统，包括用于发射单束激光束的激光器和用于固定刻蚀样品的可控载物台，其特征在于还包括：

激光倍频系统，将所述的激光器发射的单束激光束转换为紫外激光束；

光束整形系统，从所述的激光倍频系统输出的紫外激光束通过所述的光束整形系统后形成为一聚焦光斑，所述的刻蚀样品位于所述的光束整形系统输出的聚焦光斑的焦平面上，所述的光束整形系统输出的聚焦光斑照射于所述的刻蚀样品上完成微米级的图案的刻蚀；

所述的刻蚀样品为聚合物分散液晶光开关。

所述的光束整形系统包括可调光阑和显微物镜，所述的可调光阑的中心与所述的激光倍频系统输出的紫外激光束的中心对准，所述的激光倍频系统输出的紫外激光束依次通过所述的可调光阑和所述的显微物镜后形成为一聚焦光斑。

所述的光束整形系统包括可调光阑、反射镜和显微物镜，所述的可调光阑的中心与所述的激光倍频系统输出的紫外激光束的中心对准，所述的激光倍频系统输出的紫外激光束通过所述的可调光阑后入射到所述的反射镜上，所述的反射镜反射的紫外激光束通过所述的显微物镜汇聚后形成为一聚焦光斑。

所述的聚合物分散液晶光开关包括两块ITO导电玻璃和设置于两块所述的ITO导电玻璃的导电面之间且厚度均匀的聚合物分散液晶薄膜。

所述的ITO导电玻璃的厚度不超过所述的显微物镜的焦距。

所述的可调光阑的孔径略小于所述的激光倍频系统输出的紫外激光束的直径。

所述的反射镜与所述的可调光阑输出的紫外激光束成45度角。

所述的激光器采用飞秒激光器；所述的激光倍频系统采用激光二倍频系统或激光三倍频系统；所述的可控载物台采用二维或三维手动微位移平台，或采用二维或三维电动微位移平台。

一种利用上述的激光直写刻蚀系统制备电控衍射光学器件的方法，其特征在于包括以下步骤：

①开启激光器和激光倍频系统；

②调整光束整形系统，使光束整形系统中的可调光阑的中心与激光倍频系统输出的紫外激光束的中心对准，且调节可调光阑的孔径使其略小于激光倍频系统输出的紫外激光束的直径，以滤除杂散光；

③将刻蚀样品固定于可控载物台上，并使刻蚀样品位于光路中；

④调整刻蚀样品的水平方向和竖直方向的位置，直至刻蚀样品上出现强烈的闪光，以表明聚焦光斑在刻蚀样品上；

⑤遮蔽激光器发射的单束激光束，向垂直于单束激光束传播方向的方向水平位移刻蚀样品2~3cm；

⑥暴露激光器发射的单束激光束，微调刻蚀样品的水平方向和竖直方向的位置，直至刻蚀样品上出现强烈的闪光，以表明聚焦光斑在刻蚀样品上；

⑦遮蔽激光器发射的单束激光束，向刻蚀样品前一次水平位移的反方向水平位移刻蚀样品2~3cm；

⑧重复执行步骤⑥和步骤⑦的聚焦光斑校准过程，直至刻蚀样品位于光束整形系统输出的聚焦光斑的焦平面上；

⑨利用光束整形系统输出的聚焦光斑照射于刻蚀样品的两个聚焦光斑之间的区域上，形成微米级的圆孔图案，得到的刻蚀有圆孔图案的刻蚀样品为制备成的电控衍射光学器件。

所述的步骤⑨中在刻蚀完一个圆孔图案后，通过向垂直于单束激光束传播方向的方向水平和/或垂直位移刻蚀样品，再利用光束整形系统输出的聚焦光斑刻蚀出圆孔图案，得到刻蚀有多个规则排列的圆孔图案的刻蚀样品。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明的激光直写刻蚀系统利用一个光束整形系统使从激光倍频系统输出的紫外激光束通过光束整形系统后形成为一聚焦光斑，使用时将刻蚀样品即聚合物分散液晶光开关放置于光束整形系统输出的聚焦光斑的焦平面上，这样光束整形系统输出的聚焦光斑照射于刻蚀样品上就完成了微米级的图案的刻蚀，不仅结构简单，无需复杂的对焦、成像系统，而且操作方便快捷。

2）本发明的激光直写刻蚀系统中的光束整形系统仅包括一个可调光阑和一个显微物镜，或包括一个可调光阑、一个反射镜和一个显微物镜，其利用显微物镜汇聚后形成的聚焦光斑在聚合物分散液晶光开关上所产生的闪光现象来进行初始的焦点校准，而无需使用专门的对焦模块，大大简化了激光直写刻蚀系统的结构，同时也使得操作更为方便快捷。

3）本发明的制备电控衍射光学器件的方法，与现有的基于H-PDLC所采用的全息光刻的方法相比，其具有灵活、快速、可制备图形丰富、无需复杂后处理工艺等优点，能够在聚合物分散液晶光开关上刻蚀出各类一维、二维微结构及衍射光学器件。

附图说明

图1a为本发明的激光直写刻蚀系统的结构示意图一；

图1b为本发明的激光直写刻蚀系统的结构示意图二；

图2为本发明的激光直写刻蚀系统刻蚀的刻蚀样品的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种用于刻蚀电控衍射光学器件的激光直写刻蚀系统，如图1a所示，其包括用于发射单束激光束的激光器1、用于固定刻蚀样品4的可控载物台5、激光倍频系统2和光束整形系统3，激光倍频系统2将激光器1发射的单束激光束转换为紫外激光束，从激光倍频系统2输出的紫外激光束通过光束整形系统3后形成为一聚焦光斑，刻蚀样品4位于光束整形系统3输出的聚焦光斑的焦平面上，光束整形系统3输出的聚焦光斑照射于刻蚀样品4上完成微米级的图案的刻蚀。在此，刻蚀样品4为聚合物分散液晶光开关，刻蚀样品竖直固定于可控载物台5上，可通过可控载物台5控制刻蚀样品4与光束整形系统3输出的聚焦光斑的相对位置即可控制在刻蚀样品4上刻蚀的图案的形状。

在本实施例中，光束整形系统3的目的是为了产生均匀的聚焦光斑，其包括一个垂直放置的可调光阑31和一个×10的显微物镜32，可调光阑31的中心与激光倍频系统2输出的紫外激光束的中心对准，可调光阑31的孔径略小于激光倍频系统2输出的紫外激光束的直径，激光倍频系统2输出的紫外激光束依次通过可调光阑31和显微物镜32后形成为一聚焦光斑，即激光倍频系统2输出的紫外激光束通过可调光阑31后由显微物镜32聚焦成一细小的圆斑，显微物镜32汇聚后形成的聚焦光斑水平照射到刻蚀样品4上，可对垂直放置的刻蚀样品4进行刻蚀。

在本实施例中，聚合物分散液晶光开关采用现有技术，常见的聚合物分散液晶光开关包括两块ITO导电玻璃和设置于两块ITO导电玻璃的导电面之间的聚合物分散液晶薄膜，在此要求聚合物分散液晶薄膜的厚度（厚度一般在10μm量级）均匀一致，以保证较低电压下的衍射性能。图2给出了本发明具体实施过程中所采用的聚合物分散液晶光开关的结构，其包括两块表面积大小（约为2×4cm）相同的ITO导电玻璃41，两块ITO导电玻璃41呈十字交叉放置且中心对准，两块ITO导电玻璃41的导电面相对且两个导电面空间相重叠的部分区域之间设置有PDLC薄膜42，PDLC薄膜42由紫外胶和向列液晶按体积比1:1的比例配置，且膜厚均匀一致。该聚合物分散液晶光开关中的两块ITO导电玻璃41采用十字交叉的形式放置是为了使中间夹的PDLC薄膜42的厚度均匀一致，在具体制作聚合物分散液晶光开关过程中，也可在固化的PDLC溶液中加入极少量的20~30μm的纳米球，再涂抹于其中一块ITO导电玻璃的导电面上，最后取另一块ITO导电玻璃按压上去，此时无需对两块ITO导电玻璃采取中心对准的十字交叉放置措施即能保证PDLC薄膜的厚度均匀一致。

在此，不管采用哪种结构的聚合物分散液晶光开关，都要求ITO导电玻璃的厚度不超过实际使用的显微物镜的焦距。如果ITO导电玻璃的厚度较厚，则应选择放大倍率较低的显微物镜用于紫外激光束的汇聚，以使所选的显微物镜的焦距足够穿透ITO导电玻璃。

在本实施例中，激光器1采用现有的飞秒激光器，如：在实际应用过程中可采用Coherent公司生产的型号为Mira-900的飞秒激光器，其输出波长为700~1100nm，锁模平均功率最大可达2.8W，脉宽约为130fs，重复频率为76MHz。

在本实施例中，激光倍频系统2可采用现有的激光二倍频系统或激光三倍频系统，在实际应用过程中可根据激光器1的输出波长选择不同的激光倍频系统，如：对于700~800nm的初始光束（激光器发射的激光束）可选用现有的激光二倍频系统或激光三倍频系统；对于800~1100nm的初始光束可选用激光三倍频系统，如果激光器1采用输出波长为700~1100nm的飞秒激光器，则最终激光倍频系统2可产生266~400nm的紫外激光束。

在本实施例中，可控载物台5可采用现有的二维或三维手动微位移平台，也可以采用现有的二维或三维电动微位移平台，还可以采用现有的其他结构的微位移平台，但要求采用的微位移平台同时带有水平和竖直方向上的微调旋钮，以调整刻蚀样品4的水平或竖直方向的位置，用微位移平台作为载物台，将刻蚀样品4固定在微位移平台上后，其中一个自由度用于调整刻蚀样品4与聚焦光斑的相对位置，剩余一（两）个维度用于控制激光束的刻蚀路线，从而可刻蚀出不同的二维或三维图案；还要求微位移平台在水平或竖直方向上的行程至少为2~3cm；同时还要微位移平台具有在水平或竖直方向上的俯仰的微调功能。

实施例二：

本实施例的激光直写刻蚀系统与实施例一的激光直写刻蚀系统的结构不同之处仅在于光束整形系统的具体结构不同及刻蚀样品的固定方位不同。本实施例的激光直写刻蚀系统的结构如图1b所示，其光束整形系统3包括一个垂直放置的可调光阑31、一个与水平面成45度夹角的反射镜33和一个×10的显微物镜32，可调光阑31的中心与激光倍频系统2输出的紫外激光束的中心对准，可调光阑31的孔径略小于激光倍频系统2输出的紫外激光束的直径，反射镜33与可调光阑31输出的紫外激光束成45度角，激光倍频系统2输出的紫外激光束通过可调光阑31后入射到反射镜33上，反射镜33反射的紫外激光束通过显微物镜32汇聚后形成为一聚焦光斑。在本实施例中，刻蚀样品4水平固定于可控载物台5上。

本实施例的激光直写刻蚀系统，由于在可调光阑31与显微物镜32之间加入了一个光束折返组件即反射镜33，使得显微物镜33汇聚后形成的聚焦光斑从上往下垂直照射到刻蚀样品4上，可对水平放置的刻蚀样品4进行刻蚀。

实施例三：

本实施例为利用实施例一和实施例二的激光直写刻蚀系统制备电控衍射光学器件的方法，其包括以下步骤：

①开启激光器和激光倍频系统，调整激光器及激光倍频系统，使激光倍频系统输出130mW左右的400nm的紫外激光束。

②调整光束整形系统，使光束整形系统中的可调光阑的中心与激光倍频系统输出的紫外激光束的中心对准，可使得光束整形系统输出的聚焦光斑均匀，从而可使得刻蚀得到的图案的形状规则；且调节可调光阑的孔径使其略小于激光倍频系统输出的紫外激光束的直径，以滤除杂散光，保证一次刻蚀得到的图案为圆孔。

③将刻蚀样品固定于可控载物台上，并使刻蚀样品位于光路中。

④调整刻蚀样品的水平方向和竖直方向的位置，直至刻蚀样品上出现强烈的闪光，以表明聚焦光斑在刻蚀样品上。

⑤利用光屏遮蔽激光器发射的单束激光束，向垂直于单束激光束传播方向的方向水平位移刻蚀样品2~3cm。

⑥撤去光屏暴露激光器发射的单束激光束，微调刻蚀样品的水平方向和竖直方向的位置，直至刻蚀样品上出现强烈的闪光，以表明聚焦光斑在刻蚀样品上。

⑦利用光屏遮蔽激光器发射的单束激光束，向刻蚀样品前一次水平位移的反方向水平位移刻蚀样品2~3cm。

⑧重复执行步骤⑥和步骤⑦的聚焦光斑校准过程，直至刻蚀样品位于光束整形系统输出的聚焦光斑的焦平面上。

⑨利用光束整形系统输出的聚焦光斑照射于刻蚀样品的两个聚焦光斑之间的区域上，照射数秒后形成微米级的圆孔图案，得到的刻蚀有圆孔图案的刻蚀样品为制备成的电控衍射光学器件。

在步骤⑨中在刻蚀完一个圆孔图案后，通过向垂直于单束激光束传播方向的方向水平和/或垂直位移刻蚀样品，再利用光束整形系统输出的聚焦光斑刻蚀出圆孔图案，得到刻蚀有多个规则排列的圆孔图案的刻蚀样品。

在本实施例中，遮蔽激光束也可用电控的机械光开关来代替光屏。

Claims (2)

1.一种利用激光直写刻蚀系统制备电控衍射光学器件的方法，其特征在于该激光直写刻蚀系统包括用于发射单束激光束的激光器和用于固定刻蚀样品的可控载物台，还包括：

激光倍频系统，将所述的激光器发射的单束激光束转换为紫外激光束；

光束整形系统，从所述的激光倍频系统输出的紫外激光束通过所述的光束整形系统后形成为一聚焦光斑，所述的刻蚀样品位于所述的光束整形系统输出的聚焦光斑的焦平面上，所述的光束整形系统输出的聚焦光斑照射于所述的刻蚀样品上完成微米级的图案的刻蚀；

所述的光束整形系统包括可调光阑和显微物镜，所述的可调光阑的中心与所述的激光倍频系统输出的紫外激光束的中心对准，所述的激光倍频系统输出的紫外激光束依次通过所述的可调光阑和所述的显微物镜后形成为一聚焦光斑；或所述的光束整形系统包括可调光阑、反射镜和显微物镜，所述的可调光阑的中心与所述的激光倍频系统输出的紫外激光束的中心对准，所述的激光倍频系统输出的紫外激光束通过所述的可调光阑后入射到所述的反射镜上，所述的反射镜反射的紫外激光束通过所述的显微物镜汇聚后形成为一聚焦光斑；

所述的刻蚀样品为聚合物分散液晶光开关；

该方法包括以下步骤：

①开启激光器和激光倍频系统；

②调整光束整形系统，使光束整形系统中的可调光阑的中心与激光倍频系统输出的紫外激光束的中心对准，且调节可调光阑的孔径使其略小于激光倍频系统输出的紫外激光束的直径，以滤除杂散光；

③将刻蚀样品固定于可控载物台上，并使刻蚀样品位于光路中；

④调整刻蚀样品的水平方向和竖直方向的位置，直至刻蚀样品上出现强烈的闪光，以表明聚焦光斑在刻蚀样品上；

⑤遮蔽激光器发射的单束激光束，向垂直于单束激光束传播方向的方向水平位移刻蚀样品2～3cm；

⑥暴露激光器发射的单束激光束，微调刻蚀样品的水平方向和竖直方向的位置，直至刻蚀样品上出现强烈的闪光，以表明聚焦光斑在刻蚀样品上；

⑦遮蔽激光器发射的单束激光束，向刻蚀样品前一次水平位移的反方向水平位移刻蚀样品2～3cm；

⑧重复执行步骤⑥和步骤⑦的聚焦光斑校准过程，直至刻蚀样品位于光束整形系统输出的聚焦光斑的焦平面上；

⑨利用光束整形系统输出的聚焦光斑照射于刻蚀样品的两个聚焦光斑之间的区域上，形成微米级的圆孔图案，得到的刻蚀有圆孔图案的刻蚀样品为制备成的电控衍射光学器件。

2.根据权利要求1所述的利用激光直写刻蚀系统制备电控衍射光学器件的方法，其特征在于所述的步骤⑨中在刻蚀完一个圆孔图案后，通过向垂直于单束激光束传播方向的方向水平和/或垂直位移刻蚀样品，再利用光束整形系统输出的聚焦光斑刻蚀出圆孔图案，得到刻蚀有多个规则排列的圆孔图案的刻蚀样品。