CN113043588A - 一种高精度激光微纳投影打印方法及系统 - Google Patents

一种高精度激光微纳投影打印方法及系统 Download PDF

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CN113043588A CN202110263909.6A CN202110263909A CN113043588A CN 113043588 A CN113043588 A CN 113043588A CN 202110263909 A CN202110263909 A CN 202110263909A CN 113043588 A CN113043588 A CN 113043588A
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Abstract

本发明公开了一种高精度激光微纳投影打印方法及系统，基于非简并双光子聚合效应，采用不同波长的两束飞秒激光，利用空间光调制器产生图形化光强分布，校准调节两个空间光调制器产生的有效成像区域后，两个空间光调制器产生的两个光强分布图在光刻胶上部分重叠，部分重叠区域激发非简并双光子聚合效应进行光刻。本申请的一种高精度激光微纳投影打印方法及系统，通过“重叠投影光刻”技术来提高加工精度，同时利用空间光调制器产生图形化光强分布，实现高效率的并行微纳加工。

Description

一种高精度激光微纳投影打印方法及系统
技术领域
本发明属于3D增材打印和激光微纳加工领域，特别是涉及一种高精度激光微纳投影打印方法及系统。
背景技术
3D增材打印技术是新一代的绿色高端增材制造技术，具有一次成型、设计灵活、成本低、制造速度快、加工精度高等优点。该技术的发展不仅催生了迅速增长的3D制造市场，而且推动了航天、工业、生物、医疗、科研等领域的进步，被誉为是引领第三次工业革命的新兴技术。虽然3D增材打印技术日趋成熟，但目前绝大部分相关技术和产品的打印精度都在毫米(10-3m)到几十微米(10-5m)的范围，这就大大限制了在需要微纳(10-6～10-8m)精度的尖端领域应用。
双光子聚合效应具有非线性阈值，能够大大缩小有效光斑的尺寸，从而提高加工精度；另一方面，双光子效应仅发生在达到阈值的激光焦点处，光束路径的其它区域好似透明，这使精密3D微纳加工成为可能。利用双光子聚合效应的激光微纳加工技术可以制作2D或3D微纳结构，主要有两种方式，单激光束直写和并行加工。采用单激光束直写的方法可以加工任意2D或3D微纳结构，且加工精度很高，但一个明显缺陷是加工速度慢，即使采用高速振镜扫描激光束，也很难加工打印大尺寸的微纳器件。为了提高加工速度，可以采用并行微纳加工技术，如通过衍射器件分成多光束并行加工、利用空间光调制器进行图形面打印等。这些技术虽然提高了加工速度，但同时激光焦点尺寸变大，导致加工精度下降，横向加工精度仅达到波长量级，纵向精度则不受控制。因此，利用上述双光子激光微纳加工技术存在以下缺陷：
1、单激光束直写的加工速度慢，不适合加工大尺寸微纳器件；
2、多光束并行的加工精度较差，且加工结构受限；
3、图形面打印的加工精度较差，纵向精度尤其差。
综上，现有方法很难同时兼顾加工速度和加工精度，高效率、高精度、低成本地制造复杂三维微纳结构也被认为是一项国际化难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度激光微纳投影打印方法及系统，基于非简并双光子聚合效应，通过“重叠投影光刻”技术来提高加工精度；利用空间光调制器产生图形化光强分布，实现高效率的并行微纳加工。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高精度激光微纳投影打印方法及系统。
本发明公开的第一方面，一种高精度激光微纳投影打印方法，包括如下步骤：
第一步：打印准备，调节功率、偏振态、脉冲宽度参数，调节第一空间光调制器和第二空间光调制器的成像区域；
第二步：将目标加工物体的3D模型输入系统软件，通过切片算法产生一系列2D切片图S1,S2,S3,···Sn；
第三步：计算分解成2组光强调制图数据A1,A2,A3,···An和B1,B2,B3,···Bn，分别传输给两个空间光调制器；
第四步：开启光开关，第一空间光调制器、第二空间光调制器分别同步产生第一光强分布图、第二光强分布图；
第五步：第一光强分布图和第二光强分布图部分重叠聚焦在光刻胶上，能够产生非简并双光子吸收效应，加工出2D微纳切片；
第六步：控制载物位移模块，使得光刻胶沿着微纳图像的投影方向移动，通过逐层打印、区域拼接的方法加工三维微纳器件；
第七步：投影打印完成后，清洗残余光刻胶，得到微纳结构器件。
在一种可选地实施例中，所述第一步打印准备的步骤中具体包括如下步骤：
S11：分别调节第一光路和第二光路的飞秒激光功率、偏振态、脉冲宽度等参数到预设数值；
S12：调节扩束滤波，使得第一光路和第二光路中的激光束分别均匀照射到第一空间光调制器面和第二空间光调制器面上；
S13：分别调节第一空间光调制器、第二空间光调制器与缩微投影模块的相对位置，使得第一空间光调制器、第二空间光调制器面分别与物镜焦平面共轭；
S14：调节第一空间光调制器、第二空间光调制器在光刻胶层中的成像面在Z方向上重合；
S15：调节第一空间光调制器、第二空间光调制器的成像区域，使得成像区域的有效区域在XY方向上重合。
在一种可选地实施例中，所述调节第一空间光调制器、第二空间光调制器的成像区域，使得成像区域的有效区域在XY方向上重合的步骤中具体包括如下步骤：
S151：第一空间光调制器产生光强分布图A，第二空间光调制器通过标准光栅产生均匀光强分布图，两者重叠激发非简并双光子聚合效应，得到微纳切片图A；
S152：第二空间光调制器产生光强分布图B，第一空间光调制器通过标准光栅产生均匀光强分布图，两者重叠激发非简并双光子聚合效应，得到微纳切片图B；
S153：比较微纳切片图A和微纳切片图B，存在位置偏差，微纳切片图A和微纳切片图B的重合区域C为有效区域；
S154：调整第一空间光调制器和第一空间光调制器的成像区域，使得调整后的成像区域为重合区域C。
在一种可选地实施例中，所述计算分解成2组光强调制图数据的步骤中具体包括如下步骤：
S21：将2D切片图S1,S2,S3,···Sn分解为2组，随机赋值为
Figure BDA0002971243750000031
S22：计算
Figure BDA0002971243750000032
的与值，
Figure BDA0002971243750000033
S22：计算2D切片目标图S和
Figure BDA0002971243750000034
的差值，
Figure BDA0002971243750000035
S24：判断ΔS→0，若差值ΔS趋向于零，则输出调制图为
Figure BDA0002971243750000036
否则变更
Figure BDA0002971243750000037
再次迭代计算，直至ΔS趋向于零。
本发明公开的第二方面，一种高精度激光微纳投影打印系统，包括：
光源模块，包括第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路上设有飞秒激光器、光开关，所述第一光路和第二光路的波长不同；
空间调制模块，包括第一反射镜、第二反射镜、第一空间光调制器、第二空间光调制器、第一波片和第二波片，所述第一光路的输出光路上依次设置第一反射镜、第一空间光调制器和第一波片，所述第二光路的输出光路上依次设置第二反射镜、第二空间光调制器和第二波片；所述第一空间光调制器对第一光路调制产生第一光强分布图，所述第二空间光调制器对第二光路调制产生第二光强分布图；
微缩投影模块，包括第一透镜、第二透镜和物镜，所述第一透镜、第二透镜分别与所述物镜构成4f成像系统，将第一光强分布图和第二光强分布图成像于物镜的焦平面上；
载物位移模块，用于对光刻胶的三维扫描和光刻，所述第一光强分布图和第二光强分布图部分重叠聚焦在光刻胶上，能够产生非简并双光子吸收效应，对光刻胶进行光刻打印；
控制模块，用于控制光开关、第一空间光调制器、第二空间光调制器和载物位移模块。
在一种可选地实施例中，所述第一光路和第二光路上还设有功率控制元件，所述功率控制元件设在所述飞秒激光器的输出光路上。
在一种可选地实施例中，所述功率控制元件包括半波片和偏振分束器，所述偏振分束器设置在半波片的输出光路上，所述半波片设置在飞秒激光器的输出光路上。
在一种可选地实施例中，所述第一光路和第二光路还设有4f透镜组，所述4f透镜组设置在偏振分束器的输出光路上。
在一种可选地实施例中，所述微缩投影模块还包括第一二向色镜和第二二向色镜，所述第一二向色镜设置在所述第一透镜与物镜之间，用于反射第一光路、透射第二光路，所述第二二向色镜设置在所述第二透镜与第一二向色镜之间，用于反射第二光路。
在一种可选地实施例中，所述载物位移模块包括位移平台和载玻片，所述载玻片上涂覆光刻胶，所述载玻片与位移平台连接，所述位移平台受控于控制模块。
本发明所提供的一种高精度激光微纳投影打印方法，(1)打印准备，调节功率、偏振态、脉冲宽度参数，调节第一空间光调制器和第二空间光调制器的成像区域；(1)将目标加工物体的3D模型输入系统软件，通过切片算法产生一系列2D切片图S1,S2,S3,···Sn；(3)计算分解成2组光强调制图数据A1,A2,A3,···An和B1,B2,B3,···Bn，分别传输给两个空间光调制器；(4)开启光开关，第一空间光调制器、第二空间光调制器分别同步产生第一光强分布图、第二光强分布图；(5)第一光强分布图和第二光强分布图部分重叠聚焦在光刻胶上，能够产生非简并双光子吸收效应，加工出2D微纳切片；(6)控制载物位移模块，使得光刻胶沿着微纳图像的投影方向移动，通过逐层打印、区域拼接的方法加工三维微纳器件；(7)投影打印完成后，清洗残余光刻胶，得到微纳结构器件。
本申请的一种高精度激光微纳投影打印方法中，基于非简并双光子聚合效应，采用不同波长的两束光束，利用空间光调制器产生图形化光强分布，校准调节两个空间光调制器产生的有效成像区域后，两个空间光调制器产生的两个光强分布图在光刻胶上部分重叠，部分重叠区域激发非简并双光子聚合效应进行光刻；部分重叠与完全重叠相比，部分重叠的打印精度更高，通过这种“重叠投影光刻”技术来提高加工精度；同时利用空间光调制器产生图形化光强分布，实现高效率的并行微纳加工。
本发明还公开一种高精度激光微纳投影打印系统，同样具有上述有效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于单光子和双光子效应的激光微纳加工示意图。
图2为简并与非简并双光子聚合效应的原理示意图。
图3为本申请实施例提供的一种高精度激光微纳投影打印方法流程图。
图4为本申请实施例提供的“重叠投影光刻”技术效果示意图。
图5为本申请实施例提供的第一空间光调制器和第二空间光调制器成像区域校准重合的示意图。
图6为本申请实施例提供的一种高精度激光微纳投影打印系统结构图。
图7为本申请实施例提供的微纳投影打印过程示意图。
具体实施方式
图1对比展示了基于单光子和双光子效应的激光微纳加工。双光子效应仅发生在达到阈值的激光焦点处，光束路径的其它区域好似透明，将飞秒激光束聚焦到极小的三维焦点上，激光光强高于阈值，焦点处光敏材料中的光引发剂瞬时吸收两个光子，产生光聚合反应所需的自由基，自由基引起聚合物单体聚合固化。双光子聚合效应具有非线性阈值，能够大大缩小有效光斑的尺寸，从而提高加工精度；另一方面，双光子效应仅发生在达到阈值的激光焦点处，光束路径的其它区域好似透明，这使精密3D微纳加工成为可能。因此，采用双光子打印可以大大提高打印精度。
现有的基于双光子效应的激光微纳加工，通常采用简并双光子聚合效应的原理，采用单一波长激光束激发；而非简并双光子聚合效应，则需采用不同波长激光激发。图2对比展示了简并与非简并双光子聚合效应的原理和异同。对于简并双光子聚合效应，光刻胶中的光引发剂瞬时吸收两个频率相同的光子(ω1＝ω2)，从基态S0跃迁到激发态S1，再经过非辐射跃迁生成自由基，自由基引起聚合物单体聚合固化。而对于非简并双光子聚合效应，光引发剂吸收的两个光子频率不同(ω1≠ω2)，但同样生成自由基，并引起单体聚合固化。由于双光子聚合效应具有较高的阈值，通常采用两束不同波长的飞秒激光来做微纳加工的激光源，激光波长λ1和λ2分别对应非简并效应所需的光子频率ω1和ω2。非简并双光子效应中，只有同时存在频率为ω1和ω2的光子，满足激发非简并双光子效应的条件，才能激发双光子效应，引起单体聚合固化。
为提高打印精度，本申请采用飞秒激光来激发非简并双光子聚合效应，激光波长为λ1和λ2的两束飞秒激光分别照射两个空间光调制器，产生两幅光强分布图，并使得两幅光强分布图部分重叠，只有在重叠区域才会激发双光子效应，因部分重叠产生的切片的特征线宽要比完全重叠产生的切片的特征线宽更小，因此，部分重叠产生的微纳图像精度要远高于完全重叠产生的微纳图像精度。
为此，本申请提供的一种高精度激光微纳投影打印方法及系统，大大提高打印精度。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
如图3所示，图3为本申请实施例提供的一种高精度激光微纳投影打印方法流程图，该高精度激光微纳投影打印方法，包括以下步骤：
第一步：打印准备，调节功率、偏振态、脉冲宽度参数，调节第一空间光调制器和第二空间光调制器的成像区域；
第二步：将目标加工物体的3D模型输入系统软件，通过切片算法产生一系列2D切片图S1,S2,S3,···Sn；
第三步：计算分解成2组光强调制图数据A1,A2,A3,···An和B1,B2,B3,···Bn，分别传输给两个空间光调制器；
第四步：开启光开关，第一空间光调制器、第二空间光调制器分别同步产生第一光强分布图、第一光强分布图；
第五步：第一光强分布图和第二光强分布图部分重叠聚焦在光刻胶上，能够产生非简并双光子吸收效应，加工出2D微纳切片；
第六步：控制载物位移模块，使得光刻胶沿着微纳图像的投影方向移动，通过逐层打印、区域拼接的方法加工三维微纳器件；
第七步：投影打印完成后，清洗残余光刻胶，得到微纳结构器件。
所述第五步和第六步中的光刻胶为微纳打印的样品，可以为光刻胶，也可以是其它材料，在此不作具体限定，仅以光刻胶示例。
本发明提供的打印方法是基于非简并双光子聚合效应原理开展的，采用不同波长的两束光束，利用空间光调制器产生图形化光强分布，两个空间光调制器产生的两个光强分布图在光刻胶上部分重叠，而不是完全重叠。基于非简并双光子聚合效应，只有在部分重叠的区域存在两种不同频率的光子，只有同时存在不同频率的光子，满足激发非简并双光子效应的条件，才能激发双光子效应，引起单体聚合固化，进行光刻。因部分重叠产生的切片的特征线宽要比完全重叠产生的切片的特征线宽更小，因此，部分重叠产生的微纳图像精度要远高于完全重叠产生的微纳图像精度。通过这种“重叠投影光刻”技术来提高加工精度；同时利用空间光调制器产生图形化光强分布，并行微纳加工，大大提高打印效率。
图4为本发明中“重叠投影光刻”技术效果示意图，如图4所示，第一空间光调制器在光刻胶中的第一光强分布图11，第二空间光调制器在光刻胶中的第二光强分布图12，第一光强分布图11和第二光强分布图12上分别存在多个光刻图形13、14，可以并行加工，大大提高打印效率。光刻图形13和光刻图形14部分重叠，重叠区域15同时存在不同频率的光子，满足激发非简并双光子效应的条件，激发非简并双光子聚合效应加工得到的微纳切片，微纳切片就是重叠区域15，由图4可知重叠区域产生的切片15的特征线宽要比完全重叠切片(光刻图形13、14)的特征线宽更小。因此，部分重叠产生的微纳图像精度要远高于完全重叠产生的微纳图像精度。
需要说明的是，空间光调制器可以为LCOS、DMD、LCD或其它等效光学元件，本发明不作具体限定。
需要说明的是虽然本发明是基于非简并双光子效应原理进行微纳光刻打印，即只采用两路光束，但这并不代表本发明只可以是两路光束，基于同样的打印方法，采用多路光束(多光子效应)也是本发明保护的范围。
更为具体地，所述第一步打印准备的步骤中具体包括如下步骤：
S11：分别调节第一光路和第二光路的飞秒激光功率、偏振态、脉冲宽度等参数到预设数值；
S12：调节扩束滤波，使得第一光路和第二光路中的激光束分别均匀照射到第一空间光调制器面和第二空间光调制器面上；
S13：分别调节第一空间光调制器、第二空间光调制器与物镜的相对位置，使得第一空间光调制器、第二空间光调制器面分别与物镜焦平面共轭；
S14：调节第一空间光调制器、第二空间光调制器在光刻胶层中的成像面在Z方向上重合；
S15：调节第一空间光调制器、第二空间光调制器的成像区域，使得成像区域的有效区域在XY方向上重合。
S11步骤中，调节的参数包括激光功率、偏振态、脉冲宽度等相关参数，将上述参数调节至预设数值，激光功率影响打印精度，功率过小不能产生双光子效应，功率过大会降低打印精度。
S12步骤中，主要是对两束激光束进行扩束滤波，为达到更好的效果，激光束要均匀照射到空间光调制器面上，亦可根据需要使用光束整形器将高斯光斑转换为矩形光强分布，如图4中为矩形光斑，方便调节第一空间光调制器和第二空间光调制器的成像区域，即光刻图形13、14的调节对准。
S13步骤中，调节第一空间光调制器、第二空间光调制器与物镜的相对位置使得第一空间光调制器、第二空间光调制器面分别与物镜焦平面共轭，主要目的是将第一空间光调制器分别产生的第一光强分布图、第一光强分布图都成像于物镜的焦平面上，方便第一光强分布图、第一光强分布图在光刻胶成像面的重合。
S14和S15步骤中，主要是调节第一空间光调制器、第二空间光调制器的成像区域在光刻胶成像面重合，其中Z方向为微纳图像投影方向，XY方向先粗调为大致重合。
更为具体地，所述调节第一空间光调制器、第二空间光调制器的成像区域，使得成像区域的有效区域在XY方向上重合的步骤(即XY方向的细调)中具体包括如下步骤：
S151：第一空间光调制器产生光强分布图A，第二空间光调制器产生均匀光强分布图，两者重叠激发非简并双光子聚合效应，得到微纳切片图A；
S152：第二空间光调制器产生光强分布图B，第一空间光调制器产生均匀光强分布图，两者重叠激发非简并双光子聚合效应，得到微纳切片图B；
S153：比较微纳切片图A和微纳切片图B，存在位置偏差，微纳切片图A和微纳切片图B的重合区域C为有效区域；
S154：调整第一空间光调制器和第一空间光调制器的成像区域，使得调整后的成像区域为重合区域C。
图5为第一空间光调制器和第二空间光调制器成像区域校准重合示意图，如图5所示，第一空间光调制器产生光强分布图A，第二空间光调制器产生均匀光强分布图，两者重叠激发非简并双光子聚合效应，通过CCD拍摄得到2D微纳切片图21；第二空间光调制器产生光强分布图B，第二空间光调制器产生均匀光强分布图，两者重叠激发非简并双光子聚合效应，通过CCD拍摄得到2D微纳切片图22；比较2D微纳切片图21和2D微纳切片图22发现存在位置偏差；2D微纳切片图21和2D微纳切片图22存在重合区域23，重合区域23为有效区域，调整第一空间光调制器和第一空间光调制器的成像区域，使得调整后的成像区域为重合区域C。校准重合前，第一空间光调制器的成像区域为21，第一空间光调制器的成像区域为22，将第一空间光调制器和第一空间光调制器的成像区域调整缩小后为重合区域23。第一空光调制器和第二空间光调制器成像区域校准重合的目的是：如果第一空光调制器和第二空间光调制器成像区域没有重合，则不能打印，重合一部分，大大降低打印速度。并且打印时，为了能够更好控制第一空间光调制器和第二空间光调制器调制产生的光强分布图的部分重叠，在打印前将第一空间光调制器和第二空间光调制器的成像区域调节成完全重合，才能在打印时，清楚明确两个空间光调制器产生的光强分布图在成像区域的位置，才能更精准控制两个光强分布图的部分重叠区域，提高打印精度。
更为具体地，所述计算分解成2组光强调制图数据的步骤中具体包括如下步骤：
S21：将2D切片图S1,S2,S3,···Sn分解为2组，随机赋值为
Figure BDA0002971243750000111
S22：计算
Figure BDA0002971243750000112
的与值，
Figure BDA0002971243750000113
S22：计算2D切片目标图S和
Figure BDA0002971243750000114
的差值，
Figure BDA0002971243750000115
S24：判断ΔS→0，若差值ΔS趋向于零，则输出调制图为
Figure BDA0002971243750000116
否则变更
Figure BDA0002971243750000117
再次迭代计算，直至ΔS趋向于零。
本打印方法中，计算分解成2组光强调制图数据是通过随机赋值两组切片图数据
Figure BDA0002971243750000118
控制模块中已事先计算并存储了2D切片目标图S，2D切片目标图S是根据所要求的打印精度计算得出。然后计算
Figure BDA0002971243750000119
Figure BDA00029712437500001110
的与值
Figure BDA00029712437500001111
即得到
Figure BDA00029712437500001112
的交集，再计算2D切片目标图S和
Figure BDA00029712437500001113
的差值ΔS
Figure BDA00029712437500001114
判断ΔS是否趋向于零，如果是，则直接将
Figure BDA00029712437500001115
Figure BDA00029712437500001116
确定为两个空间光调制器调制后的光强分布图，采用
Figure BDA00029712437500001117
进行“重叠投影光刻”，提高打印精度；如果ΔS不趋向于零，则变更
Figure BDA00029712437500001118
再次迭代计算，直至ΔS趋向于零。计算分解成2组光强调制图数据是通过随机赋值，再比较的方法，简单快捷、无需人工指定，适用性广。
本打印方法中公开的切片图、光强分布图、光强调制图可以是任意形状、如矩形、方形、三角形、梯形或不规则形状，根据打印需求，自行设置，优选为矩形、方形，方便调节。
如图6所示，图6为本申请实施例提供的一种高精度激光微纳投影打印系统结构示意图，该一种高精度激光微纳投影打印系统可以包括：
光源模块10，包括第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路上设有飞秒激光器、光开关，所述第一光路和第二光路的波长不同；
空间调制模块20，包括第一反射镜201、第二反射镜202、第一空间光调制器203、第二空间光调制器204、第一波片205和第二波片206，所述第一光路的输出光路上依次设置第一反射镜201、第一空间光调制器203和第一波片205，所述第二光路的输出光路上依次设置第二反射镜202、第二空间光调制器204和第二波片206；所述第一反射镜201、第二反射镜202分别调节第一光路、第二光路的光束角度，所述第一空间光调制器203对第一光路调制产生第一光强分布图，所述第二空间光调制器204对第二光路调制产生第二光强分布图；所述第一波片205调节第一空间光调制器出射光束的偏振态，所述第二波片206调节第二空间光调制器出射光束的偏振态，调节后的第一空间光调制器203出射光束的偏振态与调节后的第二空间光调制器204出射光束的偏振态一致，偏振态一致才能激发非简并双光子效应；
微缩投影模块30，包括第一透镜301、第二透镜302和物镜305，所述第一透镜301、第二透镜302分别与物镜305构成4f成像系统，将所述第一光强分布图和第二光强分布图成像于物镜305的焦平面上；
载物位移模块40，用于对光刻胶403的三维扫描和光刻，所述第一光强分布图和第二光强分布图部分重叠聚焦在光刻胶上，能够产生非简并双光子吸收效应，对光刻胶进行光刻打印；
控制模块60，用于控制光开关、第一空间光调制器203、第二空间光调制器204和载物位移模块40。
其中，光开关(图中未示出)用于控制激光光束的开启与闭合，光开关可以设置在飞秒激光器上，也可以设置在4f透镜组的输出光路上，也可以设置在空间调制模块上，所述光开关的位置不作具体限定。
具体地，如图6所示，光源模块10包括第一光路和第二光路，所述第一光路上设有第一飞秒激光器101、透镜107和透镜109，所述透镜107和109，构成4F成像系统，用于激光束λ1扩束和滤波；同理，第二光路上设有第二飞秒激光器102、透镜108和透镜110，所述透镜108和110，构成4F成像系统，用于激光束λ2扩束和滤波，所述激光束λ1和激光束λ2的波长不同；所述第一反射镜201设置在透镜109的输出光路上，所述第二反射镜202设置在透镜110的输出光路上，用于调节激光束角度；所述第一空间光调制器203和第二空间光调制器204分别设置在所述第一反射镜201、第二反射镜202的输出光路上；所述第一空间光调制器203对第一光路调制产生第一光强分布图，所述第二空间光调制器204对第二光路调制产生第二光强分布图；所述第一波片205调节第一空间光调制器203出射光束的偏振态，所述第二波片206调节第二空间光调制器204出射光束的偏振态，调节后的第一空间光调制器203出射光束的偏振态与调节后的第二空间光调制器204出射光束的偏振态一致；所述第一空间光调制器203和第二空间光调制器204所在的平面分别与物镜305的焦平面共轭，将第一光强分布图和第二光强分布图成像于物镜305的焦平面上，物镜305，可在Z方向移动，方便调节第一光强分布图和第二光强分布图成像于物镜305的焦平面上。所述第一光强分布图和第二光强分布图部分重叠聚焦在光刻胶上，能够产生非简并双光子吸收效应，基于“重叠投影光刻”对光刻胶进行光刻打印，并大大提高打印精度。
基于图6可以确定本申请中所提供的一种高精度激光微纳投影系统相对于常规的采用简并双光子效应的打印方法而言，本申请是基于非简并双光子聚合效应，通过“重叠投影光刻”技术，两个空间光调制器产生的两个光强分布图在光刻胶上部分重叠，在部分重叠区域激发非简并双光子效应进行光刻。因部分重叠产生的切片要比完全重叠产生的切片更小，大大提高加工精度；同时利用空间光调制器产生图形化光强分布，并行微纳加工，大大提高打印效率。
进一步地，如图6所示，所述光开关控制激光束λ1和激光束λ2的开关，并没有控制激光束λ1和激光束λ2的功率，不同的功率对应不同的光束大小，而光束大小影响打印精度。如果光束功率过大，则会聚光斑的焦点处达到双光子聚合阈值的区域较大，降低打印精度；如果光束功率过小，有可能不能达到双光子聚合的阈值，将无法进行加工。
因此，为解决上述的问题，在本申请的一种可选地实施例中，如图6所示，在第一光路和第二光路中设置功率控制元件，第一光路和第二光路功能、结构都相同，本实施例中以第一光路为例，第二光路不作赘述。所述功率控制元件设置在所述第一飞秒激光器101的输出光路上，功率控制元件能够控制第一飞秒激光器发射的激光光束功率，使得经过所出射的光束满足对应打印精度的功率要求，确保一种高精度激光微纳投影打印方法及系统的打印精度。
由此，通过功率控制元件控制光束的功率，使得所出射的光束满足对应打印精度的功率要求，在很大程度上避免了因光束功率过大而导致打印精度低或因光束功率过小不能进行光刻打印的问题，保证了一种高精度激光微纳投影打印方法及系统的打印精度，提高打印产品合格率。
进一步地，在本申请的一种可选地实施例中，如图6所示，所述功率控制元件包括半波片和偏振分束器,第一光路中，第一飞秒激光器101和透镜107之间设有第三半波片103、第一偏振分束器105，所述第一偏振分束器105设置在第三半波片103的输出光路上，第三半波片103、第一偏振分束器105用于调节第一飞秒激光器101的输出功率；同理，第二光路中，第二飞秒激光器102和透镜108之间设有第四半波片104、第二偏振分束器106，所述第二偏振分束器106设置在第四半波片104的输出光路上，第四半波片104、第二偏振分束器106用于调节第二飞秒激光器102的输出功率。
在本申请的一种可选地实施例中，如图6所示，。所述微缩投影模块还包括第一二向色镜303和第二二向色镜304，所述第一二向色镜303设置在所述第一透镜301与物镜305之间，用于反射激光λ1，透射激光λ2，所述第二二向色镜304设置在所述第二透镜302与第一二向色镜303之间，用于反射激光λ2。
在本申请的一种可选地实施例中，如图6所示，所述载物位移模块包括位移平台401和载玻片402，所述载玻片用于涂敷光刻胶403，能够产生非简并双光子吸收效应。所述载玻片402与位移平台403连接，所述位移平台403受控于控制模块，能够控制光刻胶403沿着微纳图像的投影方向移动。所述控制模块控制位移平台401的运动，通过位移平台401的运动带动载玻片402上的光刻胶403进行移动。本申请公开的激光微纳投影打印系统，通过空间光调制器产生光强分布图进行并行光刻打印，会对光刻胶403不同成像层及位置进行光刻，光刻胶需要移动，本申请中采用位移平台401控制光刻胶层的位置，压电位移平台能够XYZ三轴位移，同步微纳图像的投影速度，可以通过逐层打印、区域拼接的方法加工出大尺寸三维微纳器件。
本申请中位移平台401可以是纳米精度PZT压电位移平台，实现精准控制，也可以是其它位移平台，不作具体限制。
图7为本申请实施例提供的微纳投影打印过程示意图，如图7所示，图7展示了微纳投影打印的过程，为了避免已固化或正在固化的微纳结构影响投影光束，位移平台401控制光刻胶层面向微纳图像投影方向移动，打印顺序为1、2、3…N。上述方法属于并行微纳加工技术，加工打印的速度远大于单激光束直写的方法，实现了高效率、高精度的三维激光微纳加工。
进一步地，如图6所示，为了实时监控打印过程，所述载物位移模块具有监控装置，通过监控装置可对光刻过程进行监控，实时记录光刻过程。所述监控装置包括：
监控光源503，照明光刻胶403；
相机502，与控制模块60通信，实施监控光刻过程并传输给控制模块；
所述监控光源503为光刻胶403提供照明，以便相机502拍摄光刻胶的曝光过程。
如图6所示，监控光源503设置在光刻胶403上方，为光刻胶403提供照明，相机502设置在所述第二二向色镜304下方，所述相机502与第二二向色镜304之间设有透镜501，。监控光源503用来照亮光刻胶403(如光敏树脂材料)，发射的照明光束直接透过第二二向色镜304，经过透镜501的会聚，照射至相机502，所述相机502收集来自光刻胶403表面的照明光，实时采集光刻图像，监控和记录打印过程。
需要说明的是，所述监控光源503不作具体限制，监控光源503发出的光对光刻胶而言是安全光，不会使光刻胶曝光即可。所述相机502也不作具体限制，可以为CMOS或CCD相机。
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。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。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高精度激光微纳投影打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：打印准备，调节功率、偏振态、脉冲宽度参数，调节第一空间光调制器和第二空间光调制器的成像区域；
第二步：将目标加工物体的3D模型输入系统软件，通过切片算法产生一系列2D切片图S1,S2,S3,···Sn；
第三步：计算分解成2组光强调制图数据A1,A2,A3,···An和B1,B2,B3,···Bn，分别传输给第一空间光调制器和第二空间光调制器；
第四步：开启光开关，第一空间光调制器、第二空间光调制器分别同步产生第一光强分布图、第二光强分布图；
第五步：第一光强分布图和第二光强分布图部分重叠聚焦在光刻胶上，能够产生非简并双光子吸收效应，加工出2D切片；
第六步：控制载物位移模块，通过逐层打印、区域拼接的方法加工三维微纳器件；
第七步：投影打印完成后，清洗残余光刻胶，得到微纳结构器件。
2.如权利要求1所述的一种高精度激光微纳投影打印方法，其特征在于，所述第一步打印准备的步骤中具体包括如下步骤：
S11：分别调节第一光路和第二光路的飞秒激光功率、偏振态、脉冲宽度等参数到预设数值；
S12：调节扩束滤波，使得第一光路和第二光路中的激光束分别均匀照射到第一空间光调制器面和第二空间光调制器面上；
S13：分别调节第一空间光调制器、第二空间光调制器与缩微投影模块的相对位置，使得第一空间光调制器、第二空间光调制器面分别与物镜焦平面共轭；
S14：调节第一空间光调制器、第二空间光调制器在光刻胶层中的成像面在Z方向上重合；
S15：调节第一空间光调制器、第二空间光调制器的成像区域，使得成像区域的有效区域在XY方向上重合。
3.如权利要求2所述的一种高精度激光微纳投影打印方法，其特征在于，所述调节第一空间光调制器、第二空间光调制器的成像区域，使得成像区域的有效区域在XY方向上重合的步骤中具体包括如下步骤：
S151：第一空间光调制器产生光强分布图A，第二空间光调制器产生均匀光强分布图，两者重叠激发非简并双光子聚合效应，得到微纳切片图A；
S152：第二空间光调制器产生光强分布图B，第一空间光调制器产生均匀光强分布图，两者重叠激发非简并双光子聚合效应，得到微纳切片图B；
S153：比较微纳切片图A和微纳切片图B，存在位置偏差，微纳切片图A和微纳切片图B的重合区域C为有效区域；
S154：调整第一空间光调制器和第一空间光调制器的成像区域，使得调整后的成像区域为重合区域C。
4.如权利要求1所述的一种高精度激光微纳投影打印方法，其特征在于，所述计算分解成2组光强调制图数据的步骤中具体包括如下步骤：
S21：将2D切片图S1,S2,S3,···Sn分解为2组，随机赋值为
Figure FDA0002971243740000021
S22：计算
Figure FDA0002971243740000022
的与值，
Figure FDA0002971243740000023
S22：计算2D切片目标图S和
Figure FDA0002971243740000024
的差值，
Figure FDA0002971243740000025
S24：判断ΔS→0，若差值ΔS趋向于零，则输出调制图为
Figure FDA0002971243740000026
否则变更
Figure FDA0002971243740000027
再次迭代计算，直至ΔS趋向于零。
5.如权利要求1至4任一项权利要求所述的一种高精度激光微纳投影打印系统，其特征在于，包括：
光源模块，包括第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路上都各自设有飞秒激光器、光开关，所述第一光路和第二光路的波长不同；
空间调制模块，包括第一反射镜、第二反射镜、第一空间光调制器、第二空间光调制器、第一波片和第二波片，所述第一光路的输出光路上依次设置第一反射镜、第一空间光调制器和第一波片，所述第二光路的输出光路上依次设置第二反射镜、第二空间光调制器和第二波片；所述第一空间光调制器对第一光路调制产生第一光强分布图，所述第二空间光调制器对第二光路调制产生第二光强分布图；
微缩投影模块，包括第一透镜、第二透镜和物镜，所述第一透镜、第二透镜分别与所述物镜构成4f成像系统，将第一光强分布图和第二光强分布图成像于物镜的焦平面上；
载物位移模块，用于对光刻胶的三维扫描和光刻，所述第一光强分布图和第二光强分布图部分重叠聚焦在光刻胶上，能够产生非简并双光子吸收效应，对光刻胶进行光刻打印；
控制模块，用于控制光开关、第一空间光调制器、第二空间光调制器和载物位移模块。
6.如权利要求5所述的一种高精度激光微纳投影打印方法及系统，其特征在于，所述第一光路和第二光路上还设有功率控制元件，所述功率控制元件设在所述飞秒激光器的输出光路上。
7.如权利要求6所述的一种高精度激光微纳投影打印方法及系统，其特征在于，所述功率控制元件包括半波片和偏振分束器，所述偏振分束器设置在半波片的输出光路上，所述半波片设置在所述飞秒激光器的输出光路上。
8.如权利要求7所述的一种高精度激光微纳投影打印方法及系统，其特征在于，所述第一光路和第二光路上还设有4f透镜组，所述4f透镜组设置在所述偏振分束器的输出光路上。
9.如权利要求5所述的一种高精度激光微纳投影打印方法及系统，其特征在于，所述微缩投影模块还包括第一二向色镜和第二二向色镜，所述第一二向色镜设置在所述第一透镜与物镜之间，用于反射第一光路、透射第二光路，所述第二二向色镜设置在所述第二透镜与第一二向色镜之间，用于反射第二光路。
10.如权利要求1所述的一种高精度激光微纳投影打印方法及系统，其特征在于，所述载物位移模块包括位移平台和载玻片，所述载玻片上涂覆光刻胶，所述载玻片与位移平台连接，所述位移平台受控于控制模块。
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