CN110224289A - 一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，包括按照下列顺序依次同轴排列的激光器、扩束镜、液晶光阀、聚焦透镜、倍频晶体、准直透镜和双色分束镜。聚焦透镜和准直透镜的间距等于聚焦透镜和准直透镜的焦距之和，倍频晶体的中心与聚焦透镜和准直透镜的共焦点重合。本发明由于使用波长更长的可见光/红外光激光光束取代紫外光/紫光光束与液晶光阀进行相互作用，避免了液晶光阀对紫外光/紫光的吸收以及紫外光/紫光照射对液晶材料的老化损伤。本发明不但可用于产生图形化的紫外光/紫光光束，也可以应用于产生其他液晶吸收波段的图形化光束。

Description

一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置
技术领域
本发明涉及激光光束图形化技术，尤其涉及激光直写系统中图形化紫外/紫光激光光束的产生装置，属于激光加工技术领域。
背景技术
激光直写是一种不需要掩膜版，而直接在被加工材料表面加工出所需图案的激光加工技术。它的典型应用是在光刻工艺的曝光步骤中。最初激光直写是利用二维扫描的激光光斑实现光刻图形的生成。点扫描加工的系统控制复杂，加工效率低。以液晶光阀(LCLV)和数字微反射镜阵列(DMD)为代表的空间光调制器极大的简化了激光直写系统。空间光调制器可以直接生成图形化的激光光束，以面扫描加工取代点扫描加工，从而简化了激光直写的控制难度，提高了加工效率。
液晶光阀是由液晶单元组成的二维阵列。每个液晶单元都是在两个正交的偏振片之间填充液晶材料，然后由外加电场控制液晶分子的取向，从而改变光的偏振并最终实现光的强度调制。液晶光阀可以将光束细分成大量的子光束，通过对子光束强度的调制，实现整个光束的图形化。DMD是由微机电系统控制的大量微反射镜阵列构成的反射器件。每个微反射镜都可以控制其镜面朝向，从而调整反射光的方向，因此DMD可以实现反射光束的图形化。
光刻工艺中经常使用紫外光/紫光作为加工光源，而液晶材料对紫外光和紫光具有强烈的吸收作用，而且长期的紫外光/紫光照射会加快液晶光阀的老化。目前绝大多数激光直写系统都使用DMD作为图形化光束发生器。DMD上的微反射镜只能偏转±12°～±20°的角度。基于DMD的激光直写系统需要专门设计光路以适应这种小角度的反射。由于DMD是基于调整反射角度完成的光束控制，只能实现反射光束的有无控制。而且反射光束能量的连续调整也只能通过调节反射镜振动的占空比实现平均效果的等效连续调整。相应的高速DMD控制系统的价格比较昂贵。与之相比，液晶光阀可以直接通过改变控制电压来实现光束能量的连续调整。因此如何使用液晶光阀来产生激光直写系统中所需要的图形化紫外光/紫光光束，是本领域技术人员需要解决的问题。专利CN 102837128 B曾经公开了一种基于液晶光阀的激光直写加工系统，但是并未介绍其所用激光的波长，也未介绍其加工系统可以用于光刻工艺中。因此没有解决如何使用液晶光阀产生图形化紫外光/紫光束的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公布了一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，利用倍频技术，将紫外光/紫光光束的图形化变为可见光/红外光光束的图像化。本发明的具体内容为：
一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，其特征在于，包括按照下列顺序依次同轴排列的激光器、扩束镜、液晶光阀、聚焦透镜、倍频晶体、准直透镜和双色分束镜；聚焦透镜和准直透镜的间距等于聚焦透镜和准直透镜的焦距之和，倍频晶体的中心与聚焦透镜和准直透镜的共焦点重合；其中：
所述的扩束镜用于扩大激光器输出激光的光斑直径。
所述的液晶光阀用于将扩束后的激光光束调制为图形化的激光光束。
所述的聚焦透镜用于将图形化的激光光束聚焦到倍频晶体内。
所述的倍频晶体用于将激光输出的基频激光倍频为倍频激光。
所述的准直透镜用于将发散的倍频激光准直为平行光束。
所述的双色分束镜用于分离激光器输出的基频激光和倍频晶体产生的倍频激光。
进一步地，所述的激光器输出的激光频率位于可见光或近红外光波段。
进一步地，所述的倍频晶体为二倍频晶体或者三倍频晶体。
进一步地，所述的激光器为脉冲激光器，并以超短脉冲激光器为优先选择。
进一步地，所述的液晶光阀可以是透射式液晶光阀，也可以是反射式液晶光阀。以透射式液晶光阀为优先选择。
进一步地，所述的一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，其特征在于，所述的双色分束镜反射激光器输出的基频激光，透射倍频晶体产生的倍频激光；或者透射激光器输出的基频激光，反射倍频晶体产生的倍频激光。
进一步地，所述的液晶光阀是由液晶单元组成的阵列器件，实现对光束的强弱控制。
本发明的有益效果为：本发明所公开的一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，可以使用液晶光阀产生图形化的紫外激光光束，同时避免液晶对紫外光/紫光的吸收和紫外光/紫光引起的液晶老化。本发明利用光学非线性效应中，倍频光子和基频光子具有相同传播方向的特点，将紫外光/紫光的图形化问题转化为可见光/红外光的图形化。通过液晶光阀调制的可见光/红外光经过倍频晶体的倍频后，产生了具有相同的空间分布的图形化的紫外光/紫光光束。虽然激光腔外倍频的效率一般不超过40％，但已经高于液晶材料对紫外光/紫光的透过率。由于与液晶光阀作用的并非紫外光/紫光，不再存在液晶材料对紫外光/紫光的吸收以及紫外光/紫光照射引起的液晶光阀的老化损伤。
附图说明
图1是实施例基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置由激光器1、扩束镜2、液晶光阀3、聚焦透镜4、倍频晶体5、准直透镜6和双色分束镜7按上述顺序依次共轴排列构成。激光器1为一台1064nm皮秒激光器，其输出激光脉冲宽度为20ps，重复率为1KHz，最高平均功率为1.2W，光斑直径为2mm。扩束镜2由共焦的凹透镜和凸透镜构成，放大倍率为10X。2mm的入射激光从凹透镜处入射后，在凸透镜处得到20mm的出射激光。此出射激光经过液晶光阀3后被从空间上调制为图形化激光。液晶光阀3为一款透射式液晶光阀，包含832×624个液晶单元，每个液晶单元横向大小为32μm，液晶光阀总面积约为26.6×20.0mm。液晶光阀3也可以采用反射式液晶光阀。如果采用发射式液晶光阀，后续元件的位置也要随之发生变动，但是各元件依旧应该保持光学共轴。从液晶光阀3出射的激光功率约为920mW。图形化的1064nm激光束由聚焦透镜4聚焦，并进入到倍频晶体5中。聚焦透镜4的焦距为50mm。倍频晶体5为I类临界相位匹配切割的三倍频LBO晶体。倍频晶体5的中心与聚焦透镜4的焦点重合。经过倍频晶体5后，激光光束成为1064nm和355nm两种激光的混合激光。经测量，其中355nm激光的平均功率约为122mW。准直透镜6负责将倍频晶体输出的发散的混合光束准直为平行光束。准直透镜6的焦距为50mm，透镜的前后两个面均镀有355nm的增透膜。准直透镜6与聚焦透镜4的理论距离为100mm，实际光路中，还根据输出355nm激光光束的准直情况进行了微调。准直后的混合图形化光束由双色分束器7负责分开。双色分束器7为边长为25.4mm的立方体分束器。它反射355nm的激光，透射1064nm的激光，并在各个入射出射面镀有355nm的增透膜。
由于本实施例中使用的是1064nm的激光作为光源，需选择具有三倍频效应的倍频晶体。如果采用532nm的激光作为光源，则需选择具有二倍频效应的倍频晶体，以产生266nm的紫外光。
本实施例中，三倍频的倍频效率只有约13.3％。如果采用脉冲宽度更窄的超短脉冲激光作为光源，可以获得更高的倍频效率。也就是说在相同的平均功率入射情况下，倍频得到的紫外光的功率更高。在不更换激光器的情况下，使用焦距更小的聚焦透镜也可以提高倍频效率。
双色分束器也可以选择透射1064nm反射355nm的分束器。在本实施例中，图形化紫外光束的作用是作为光刻的光源，因此选择反射355nm激光的分束器，在分离1064nm和355nm两束激光的同时，将355nm激光转为向下照射，以进入显微物镜进行微缩成像。
使用计算机将所设计的图案转化为各液晶单元的电压，并输出到液晶光阀3上就可以获得相同图案的355nm图形化光束。在双色分束器7下面放置显微物镜和三维加工平台，就可以组合成为一个简单的激光直写光刻系统。
使用本发明的基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，由于使用波长更长的可见光/红外光激光光束取代紫外光/紫光光束与液晶光阀进行相互作用，避免了液晶材料对紫外光/紫光的吸收以及紫外光/紫光照射引起的液晶光阀的老化损伤。本发明不但可用于产生图形化的紫外光/紫光光束，也可以应用于产生其他液晶吸收波段的图形化光束。

Claims (7)

1.一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，其特征在于，包括按照下列顺序依次同轴排列的激光器、扩束镜、液晶光阀、聚焦透镜、倍频晶体、准直透镜和双色分束镜；聚焦透镜和准直透镜的间距等于聚焦透镜和准直透镜的焦距之和，倍频晶体的中心与聚焦透镜和准直透镜的共焦点重合；其中：
所述的扩束镜用于扩大激光器输出激光的光斑直径；
所述的液晶光阀用于将扩束后的激光光束调制为图形化的激光光束；
所述的聚焦透镜用于将图形化的激光光束聚焦到倍频晶体内；
所述的倍频晶体用于将激光输出的基频激光倍频为倍频激光；
所述的准直透镜用于将发散的倍频激光准直为平行光束；
所述的双色分束镜用于分离激光器输出的基频激光和倍频晶体产生的倍频激光。
2.如权利要求1所述的一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，其特征在于，所述的激光器输出的激光频率位于可见光或近红外光波段。
3.如权利要求1所述的一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，其特征在于，所述的倍频晶体为二倍频晶体或者三倍频晶体。
4.如权利要求1所述的一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，其特征在于，所述的激光器为脉冲激光器，并以超短脉冲激光器为优先选择。
5.如权利要求1所述的一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，其特征在于，所述的液晶光阀可以是透射式液晶光阀，也可以是反射式液晶光阀，以透射式液晶光阀为优先选择。
6.如权利要求1所述的一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，其特征在于，所述的双色分束镜反射激光器输出的基频激光，透射倍频晶体产生的倍频激光；或者透射激光器输出的基频激光，反射倍频晶体产生的倍频激光。
7.如权利要求1和5所述的一种基于液晶光阀的图形化紫外激光发生装置，其特征在于，所述的液晶光阀是由液晶单元组成的阵列器件，实现对光束的强弱控制。
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