CN112872591B - 飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统及方法，利用空间光调制器将普通聚焦焦点调制成高长径比的针状光场，以生成高长径比的针状目标光束，将针状目标光束聚焦至待加工样品上，只需要单次曝光即可加工高长径比微结构。该系统和方法加工效率高、步骤简单，且成本低，不需要复杂的工序和昂贵的刻蚀设备，是一种灵活、高效、快速和低成本的高长径比聚合物微柱加工的系统架构。

Description

飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统及方法

技术领域

本发明涉及微纳制造技术领域，更具体地说，涉及一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统及方法。

背景技术

高长径比（High Aspect Ratio，简称HAR）的微纳米结构在传感、仿生、波导、太阳能电池制造和超疏水表面等有着广泛的应用。

目前制造高长径比微纳米结构的主要技术有深硅蚀刻和纳米压印等。但是，深硅蚀刻和模版沉积对材料有很高的要求，并且，处理软材料（生物材料）的能力有限。纳米压印是一种常用的高长径比微纳结构加工方法，但是，其需要制作压印模版。

与上述制作方法不同的双光子聚合（Two Photo Polymerization，简称2PP）加工方法能够通过光束焦距实现亚微米特征尺寸的三维微纳结构的加工，已被广泛应用于微光学、微流体、细胞分析和组织工程等领域。2PP加工方法通过物镜将光束处理得到聚焦光斑，利用聚焦光斑逐点移动来完成三维形体的高精度打印。

但是，通过这种聚焦光斑逐点扫描技术来打印高长径比微纳结构，其耗时长，加工效率低。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统及方法，技术方案如下：

一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统包括：

飞秒激光器，用于出射飞秒激光；

第一组透镜结构，用于对所述飞秒激光进行扩束处理；

光闸，用于控制所述飞秒激光光路的通断；

空间光调制器，用于扩束处理后的飞秒激光入射至所述空间光调制器后，生成高长径比的针状目标光束；

第二组透镜结构，用于对所述针状目标光束进行缩束处理；

成像系统，用于对缩束处理后的针状目标光束进行聚焦处理，以对放置于三维位移平台上的待加工样品进行单次曝光加工处理，获得高长径比聚合物微柱结构；

计算机，用于控制所述三维位移平台的位置，还用于控制所述光闸的状态，还用于控制所述空间光调制器的图像显示。

优选的，在上述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统中，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

在所述飞秒激光的光路传输方向上，依次设置在所述飞秒激光器和所述第一组透镜结构之间的半波片和偏振器；

其中，所述半波片和所述偏振器的组合用于控制所述飞秒激光的光束能量。

优选的，在上述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统中，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：高反透镜；

其中，所述高反透镜用于改变扩束处理后飞秒激光的光路，以使其入射至所述空间光调制器。

优选的，在上述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统中，所述第二组透镜结构包括两个相对设置的透镜；

所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

设置在两个相对设置的透镜之间的光阑；

其中，所述光阑用于使所述针状目标光束的第一级光通过。

优选的，在上述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统中，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：反射镜；

其中，所述反射镜用于改变缩束处理后针状目标光束的光路，以使其入射至所述成像系统。

优选的，在上述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统中，所述成像系统包括：

在光路传输方向上，依次设置的透镜结构和60倍油镜。

优选的，在上述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统中，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：放置在所述三维位移平台表面上的玻璃片；

所述待加工样品位于所述玻璃片上。

优选的，在上述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统中，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

放置在所述成像系统背离所述三维位移平台一侧的CCD监测器。

优选的，在上述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统中，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

放置在所述三维位移平台背离所述成像系统一侧的卤素灯。

一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的方法，所述方法包括：

将待加工样品处理后放置于三维位移平台上；

对出射的飞秒激光的波长和总输出能量进行调整；

空间光调制器加载高长径比的光场全息图，以生成高长径比的针状目标光束；

控制所述三维位移平台的位置，以调节所述针状目标光束在所述待加工样品上的位置，并进行单次曝光处理；

对单次曝光处理后的待加工样品进行显影处理，获得高长径比聚合物微柱结构。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

该飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，利用空间光调制器将普通聚焦焦点调制成高长径比的针状光场，以生成高长径比的针状目标光束，将针状目标光束聚焦至待加工样品上，只需要单次曝光即可加工高长径比微结构。

该系统加工效率高、步骤简单，且成本低，不需要复杂的工序和昂贵的刻蚀设备，是一种灵活、高效、快速和低成本的高长径比聚合物微柱加工的系统架构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种生成并加载至空间光调制器上的全息图和设计方法示意图；

图3为本发明实施例提供的一种自由空间衍射的光场分布示意图；

图4为本发明实施例提供的一种单次曝光生成的高长径比结构的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种高长径比结构的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种利用光场不同区域加工得到的不同形貌的高长径比结构的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的方法的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的一种制备的原子力显微镜探针结构和其测量的样品形貌图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统的结构示意图。

所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统包括：

飞秒激光器1，用于出射飞秒激光；

第一组透镜结构（包括透镜4和透镜5），用于对所述飞秒激光进行扩束处理；

光闸6，用于控制所述飞秒激光光路的通断；

空间光调制器8，用于扩束处理后的飞秒激光入射至所述空间光调制器8后，生成高长径比的针状目标光束；

第二组透镜结构（包括透镜9和透镜11），用于对所述针状目标光束进行缩束处理；

成像系统，用于对缩束处理后的针状目标光束进行聚焦处理，以对放置于三维位移平台16上的待加工样品18进行单次曝光加工处理，获得高长径比聚合物微柱结构；

计算机19，用于控制所述三维位移平台16的位置，还用于控制所述光闸6的状态，还用于控制所述空间光调制器8的图像显示。

在该实施例中，利用空间光调制器8将普通聚焦焦点调制成高长径比的针状光场，以生成高长径比的针状目标光束，将针状目标光束聚焦至待加工样品18上，只需要单次曝光即可加工高长径比微结构。

该系统加工效率高、步骤简单，且成本低，不需要复杂的工序和昂贵的刻蚀设备，是一种灵活、高效、快速和低成本的高长径比聚合物微柱加工的系统架构。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

在所述飞秒激光的光路传输方向上，依次设置在所述飞秒激光器1和所述第一组透镜结构之间的半波片2和偏振器3；

其中，所述半波片2和所述偏振器3的组合用于控制所述飞秒激光的光束能量。

在该实施例中，在透镜11之后的5cm处进行光束能量检测，通过调整所述半波片2和所述偏振器3，以使光束能量满足目标能量值。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：高反透镜7；

其中，所述高反透镜7用于改变扩束处理后飞秒激光的光路，以使其入射至所述空间光调制器8。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述第二组透镜结构包括两个相对设置的透镜；

所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

设置在两个相对设置的透镜之间的光阑10；

其中，所述光阑10用于使所述针状目标光束的第一级光通过。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：反射镜12；

其中，所述反射镜12用于改变缩束处理后针状目标光束的光路，以使其入射至所述成像系统。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述成像系统包括：

在光路传输方向上，依次设置的透镜结构13和60倍油镜14。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：放置在所述三维位移平台16表面上的玻璃片15；

所述待加工样品18位于所述玻璃片15上。

在该实施例中，所述待加工样品18包括但不限定于光刻胶。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

放置在所述成像系统背离所述三维位移平台16一侧的CCD监测器20。

在该实施例中，通过设置CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）监测器20，可以对整个加工过程进行监测。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

放置在所述三维位移平台16背离所述成像系统一侧的卤素灯17。

在该实施例中，所述卤素灯17用于提供灯光环境，在本发明实施例中仅仅以举例的形式进行说明，还可以为其它设备。

基于本发明上述全部实施例，对其整个工作过程进行简单阐述：

飞秒激光器1出射飞秒激光，经过半波片2和偏振器3对其光束能量进行调整，然后通过透镜4和透镜5进行扩束处理，整个光束的开关通过光闸6进行控制，即控制曝光时间，飞秒激光经过高反透镜7的反射后照射在空间光调制器8上生成针状目标光束，针状目标光束经过透镜9和透镜11进行缩束处理，并且，通过光阑10使得只有第一级光进入后续系统，经过反射镜12反射光束进入透镜13和60倍油镜14组成的成像系统，经过其聚焦对待加工样品18进行曝光处理，计算机19控制三维位移平台16移动，空间光调制器8的图像显示和光闸6的通断，从而调整光束焦点在待加工样品18上的空间位置，待加工样品18在卤素灯17的照射下发出荧光，通过CCD监测器20可以对加工过程进行监控。

可选的，透镜9的焦距为600mm，透镜11的焦距为200mm。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种生成并加载至空间光调制器上的全息图和设计方法示意图。

参考图3，图3为本发明实施例提供的一种自由空间衍射的光场分布示意图。

在本发明实施例中，包括但不限定于利用Matlab生成图2所示的全息图，通过计算机19记载至空间光调制器8上，以生成图3所示的长焦点的针状目标光束。

参考图4，图4为本发明实施例提供的一种单次曝光生成的高长径比结构的示意图。

参考图5，图5为本发明实施例提供的一种高长径比结构的示意图。

在透镜11后5cm处检测光束能量，通过调整所述半波片2和所述偏振器3，以使光束能量满足目标能量值，并且，由计算机19控制光闸6，使其曝光时间控制为0.5s，将光刻胶滴加至玻璃片15上，进行前烘处理，并将处理过的光刻胶固定在三维位移平台16上，在60倍油镜14的作用，仅仅通过单次曝光即可得到如图4所示的高长径比结构，该高长径比结构具有尖端直径小于50nm的特性。

如图5所示，该高长径比结构的直径为1.5μm，高度为120μm，长径比为70。

参考图6，图6为本发明实施例提供的一种利用光场不同区域加工得到的不同形貌的高长径比结构的示意图。

由此可知，通过控制光场在待加工样品18上的位置，可以获得不同形貌的高长径比结构。

基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的方法，参考图7，图7为本发明实施例提供的一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的方法的流程示意图。

所述方法包括：

S101：将待加工样品处理后放置于三维位移平台上；

S102：对出射的飞秒激光的波长和总输出能量进行调整；

S103：空间光调制器加载高长径比的光场全息图，以生成高长径比的针状目标光束；

S104：控制所述三维位移平台的位置，以调节所述针状目标光束在所述待加工样品上的位置，并进行单次曝光处理；

S105：对单次曝光处理后的待加工样品进行显影处理，获得高长径比聚合物微柱结构。

在该实施例中，该方法是在上述实施例提供的系统架构上实现的，基于上述方法，下面以具体的实例进行阐述说明：

准备SU2080光刻胶作为待加工样品，将10uL液态胶滴在玻璃片上，然后进行前烘处理，调节加热板的温度为60℃，加热3个小时后使光刻胶固化，并放置于所述三维位移平台上。

调节出射的飞秒激光的输出波长为780nm，总输出能量为1.8W。

空间光调制器加载长焦深针状光场全息图，通过调节半波片和偏振片使光束能量为60mW，以使空间光调制器生成长焦深针状的针状目标光束；

打开卤素灯，控制所述三维位移平台的位置，以调节长焦深针状的针状目标光束在光刻胶上的位置，在60倍油镜下进行单次曝光处理。

参考图8，图8为本发明实施例提供的一种制备的原子力显微镜探针结构和其测量的样品形貌图。

当曝光完成后，将其放在正丙醇溶液中显影30min后取出，即获得如图8所示的原子力显微镜探针结构，该原子力显微镜探针结构可用于AFM的显微镜成像等方面。

通过上述描述可知，该飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统和方法，利用空间光调制器将普通聚焦焦点调制成长焦深针状焦点的针状光场，以生成长焦深针状光场的针状目标光场，将长焦深针状光场聚焦至待加工样品上，只需要单次曝光即可加工原子力显微镜探针结构。该系统加工效率高、步骤简单，且成本低，不需要复杂的工序和昂贵的刻蚀设备，是一种灵活、高效、快速和低成本的高长径比聚合物微柱加工的系统架构。

以上对本发明所提供的一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，其特征在于，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统包括：

飞秒激光器，用于出射飞秒激光；

第一组透镜结构，用于对所述飞秒激光进行扩束处理；

光闸，用于控制所述飞秒激光光路的通断；

空间光调制器，用于扩束处理后的飞秒激光入射至所述空间光调制器后，生成高长径比的针状目标光束；

第二组透镜结构，用于对所述针状目标光束进行缩束处理；

成像系统，用于对缩束处理后的针状目标光束进行聚焦处理，以对放置于三维位移平台上的待加工样品进行单次曝光加工处理，获得高长径比聚合物微柱结构；

计算机，用于控制所述三维位移平台的位置，还用于控制所述光闸的状态，还用于控制所述空间光调制器的图像显示。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，其特征在于，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

在所述飞秒激光的光路传输方向上，依次设置在所述飞秒激光器和所述第一组透镜结构之间的半波片和偏振器；

其中，所述半波片和所述偏振器的组合用于控制所述飞秒激光的光束能量。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，其特征在于，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：高反透镜；

其中，所述高反透镜用于改变扩束处理后飞秒激光的光路，以使其入射至所述空间光调制器。

4.根据权利要求1所述的飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，其特征在于，所述第二组透镜结构包括两个相对设置的透镜；

所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

设置在两个相对设置的透镜之间的光阑；

其中，所述光阑用于使所述针状目标光束的第一级光通过。

5.根据权利要求1所述的飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，其特征在于，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：反射镜；

其中，所述反射镜用于改变缩束处理后针状目标光束的光路，以使其入射至所述成像系统。

6.根据权利要求1所述的飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，其特征在于，所述成像系统包括：

在光路传输方向上，依次设置的透镜结构和60倍油镜。

7.根据权利要求1所述的飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，其特征在于，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：放置在所述三维位移平台表面上的玻璃片；

所述待加工样品位于所述玻璃片上。

8.根据权利要求1所述的飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，其特征在于，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

放置在所述成像系统背离所述三维位移平台一侧的CCD监测器。

9.根据权利要求1所述的飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统，其特征在于，所述飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的系统还包括：

放置在所述三维位移平台背离所述成像系统一侧的卤素灯。

10.一种飞秒激光快速制备高长径比聚合物微柱的方法，其特征在于，所述方法包括：

将待加工样品处理后放置于三维位移平台上；

对出射的飞秒激光的波长和总输出能量进行调整；

空间光调制器加载高长径比的光场全息图，以生成高长径比的针状目标光束；

控制所述三维位移平台的位置，以调节所述针状目标光束在所述待加工样品上的位置，并进行单次曝光处理；

对单次曝光处理后的待加工样品进行显影处理，获得高长径比聚合物微柱结构。

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