CN110597014B - 一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法，包含以下步骤：(1)向目标器件表面及内部灌注光刻胶；(2)通过激光逐点扫描目标器件及光刻胶部分，同步获取扫描范围内各点的荧光信号；(3)根据平移台扫描范围及相应位置采集的荧光信号，建立三维坐标系来区分目标器件和光刻胶；(4)根据建立的目标器件和光刻胶的荧光图像，确定目标加工区域并实施双光子聚合加工；(5)将目标器件连光刻胶一起浸入显影液中，去除未聚合的光刻胶，完成加工。本发明以双光子吸收效应为基础，实现微纳米精度的光学成像和增材制造；针对目标器件和材料，通过同一套扫描控制系统，实现高精度定位和原位加工，提高了装配精度和加工效率。

Description

一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法
技术领域
本发明涉及功能材料制造，具体为一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法。
背景技术
加工和组装是微纳米尺度的精细器件生产过程面临的巨大挑战。不同器件的组装涉及定位、微操作和粘合等一系列精细操作。特别是在器件内部完成指定加工时，传统的加工手段需要先破坏外部封装，完成组装后再重新缝合的方式完成相应的组装。双光子聚合加工可以提供亚微米尺度的三维直写加工能力，然而加工区域通常通过光学成像来确定。该方法的定位精度只能达到微米级别，导致实际加工的微结构与目标位置之间存在偏差。因此，需要一种高精度、无损定位方法配合双光子聚合实现指定位置的精细加工。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种基于双光子吸收效应能够实现微小器件的指定位置开展精细加工、解决微小样品不同部件的组装问题的光学定位及加工方法。
技术方案：本发明所述的一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）向目标器件表面及内部灌注光刻胶；
（2）通过激光逐点扫描目标器件，同步获取目标范围内各点的荧光信号，当激光不能透过目标器件时，在器件表面进行光学定位及加工，当激光可以透过所述目标器件时，可以在器件表面及内部开展光学定位及加工；
（3）根据所采集的荧光信号及位置信息，建立三维坐标系统，三维坐标系通过不同位置光刻胶的荧光信号提供目标器件表面或内部形貌信息；
（4）在目标器件的指定位置实施双光子聚合加工，双光子聚合加工中，激光光强高于光刻胶聚合所需的能量阈值；
（5）将目标器件连具有双光子吸收效应的光引发剂的光刻胶一起浸入显影液中，光引发剂受激发产生的荧光中心波长与激光波长、目标器件的受激荧光波长之间存在明显区别，去除未聚合的光刻胶，完成加工。
其中，步骤（2）中激光逐点扫描过程中，激光的光强低于光刻胶聚合所需的能量阈值，所获取的荧光信号为荧光强度值。对于目标区域按照层厚进行分层处理，按自下而上的顺序逐层完成面内扫描。扫描层厚根据成像分辨率的需要可在100纳米至5微米范围内选择。
工作原理：双光子吸收效应是指光敏感物质同时吸收两个光子，完成从基态到高能级的跃迁过程。在这一过程中，处于激发态的电子不稳定，会通过释放能量的方式回到基态,其中以光子形式释放能量的辐射跃迁会产生荧光，而特定单体可以通过双光子吸收产生的自由基完成聚合反应。由于这一反应需要较强的激发能量，一般只能发生在飞秒激光的聚焦焦点处，因而具有良好的空间选择性。因此双光子吸收效应可以被广泛用于荧光成像和聚合加工，尤其是针对三维几何形貌的高精度成像与加工。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、以双光子吸收效应为基础，实现微纳米精度的荧光成像和增材制造，提高了光学成像精度和加工精度；
2、针对目标器件和材料，通过同一套扫描控制系统，实现高精度定位和原位加工，提高了装配精度和加工效率；
3、基于双光子吸收效应的光学成像和加工可以穿透部分光透明材料，在目标器件的内部实施操作，保证了精密器件的无损加工。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
如图1，在光学平台上按顺序沿直线方向依次放置激光器1、光强调制器2、透镜一3、透镜二4和半透半反镜一5，半透半反镜一5的入射光方向与激光器1摆放方向一致，出射光耦合入聚焦物镜6。照明光源13通过半透半反镜二9将出射光耦合入聚焦物镜6，相机14位于半透半反镜三10的反射方向，半透半反镜一5、半透半反镜二9、半透半反镜三10位于同一直线上。计算机及数据采集卡15通过线缆分别与激光器1、照明光源13、光强调制器2、相机14和三维移动平台8相连，将数据上传到计算机，进行分析与控制。聚焦透镜6将光聚集到光刻胶7内，光刻胶7固定于三维移动平台8上。每个位置对应的荧光信号经半透半反镜一5、半透半反镜二9、半透半反镜三10和滤光片11被光电倍增管12获得。光电倍增管12输出的模拟电压信号经数据采集卡后输入计算机。其中，滤光片11为带通滤光片，仅透过光刻胶荧光中心波长附近的波段。
如图2，具体操作过程如下：
（1）在目标结构表面或内部灌注对应的光刻胶；
（2）打开激光器1，通过光强调制器2设置成像所需的激光能量，通过透镜一3和透镜二4的透镜组合调节光束直径，经过半透半反镜一5耦合入聚焦物镜6，通过操作三维移动平台8完成目标区域的逐点扫描，每个位置对应的荧光信号经半透半反镜一5、半透半反镜二9、半透半反镜三10和滤光片11被光电倍增管12获得；
（3）根据所采集的荧光信号及位置信息，建立三维坐标系统；
（4）打开激光器1，通过光强调制器2设置聚合所需的激光能量，通过透镜一3和透镜二4的透镜组合调节光束直径，经过半透半反镜一5耦合入聚焦物镜6，通过操作三维移动平台8在指定位置完成双光子聚合加工，为了实时监测加工过程，照明光源13的照明光经半透半反镜二9耦合入聚焦物镜6，实时图像经半透半反镜三10进入相机14；
（5）将目标器件连光刻胶7一起浸入显影液中，去除未聚合的光刻胶7，完成加工。

Claims (6)

1.一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）向目标器件表面及内部灌注光刻胶，光刻胶中有具有双光子吸收效应的光引发剂；
（2）通过光强调制器（2）设置成像所需的激光能量，通过激光逐点扫描目标器件及光刻胶部分，同步获取扫描范围内各点的荧光信号；激光逐点扫描过程中，激光的光强低于光刻胶聚合所需的能量阈值，所获取的荧光信号为荧光强度值；
（3）根据所采集的荧光信号及位置信息，建立三维坐标系统；
（4）通过光强调制器（2）设置聚合所需的激光能量，根据建立的目标器件和光刻胶的荧光图像，确定目标加工区域并实施双光子聚合加工；双光子聚合加工中，激光光强高于光刻胶聚合所需的能量阈值；
（5）将目标器件连光刻胶一起浸入显影液中，去除未聚合的光刻胶，完成加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法，其特征在于：所述步骤（2）中激光不能透过目标器件时，在器件表面进行光学定位及加工。
3.根据权利要求1所述的一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法，其特征在于：所述步骤（2）中激光可以透过所述目标器件时，可以在器件表面及内部开展光学定位及加工。
4.根据权利要求1所述的一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法，其特征在于：所述步骤（2）中激光逐点扫描过程中，对于目标区域按照100纳米至5微米的层厚进行分层处理，按自下而上的顺序逐层完成面内扫描。
5.根据权利要求1所述的一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法，其特征在于：所述步骤（3）中三维坐标系通过不同位置光刻胶的荧光信号提供目标器件表面或内部形貌信息。
6.根据权利要求1所述的一种基于双光子吸收效应的光学定位及加工方法，其特征在于：所述步骤（5）中，受激发产生的荧光中心波长与激光波长、目标器件的受激荧光波长之间存在明显区别。
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