CN113064329B - 一种基于光纤端超透镜的笔光刻系统和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤端超透镜的笔光刻系统和制备方法，属于光学微纳米结构制备技术领域。本发明在单模光纤端面借助双光子激光直写技术制备超透镜，将制备的超透镜与其他光学器件结合搭建笔光刻系统。由于超透镜能够解决现有透镜技术中存在的灵活性差、尺寸受限、效率低等问题，并且能够实现对于光束相位、幅度、偏振完全控制，克服了传统笔光刻系统体积大、成本昂贵、效率低、难以集成等问题；本系统通过结合光纤端超透镜，能够在任意基底材料和制备环境下高精度地制备微纳器件，节约制备成本和时间。

Description

一种基于光纤端超透镜的笔光刻系统和制备方法
技术领域
本发明属于光学微纳米系统技术领域，尤其涉及一种基于光纤端超透镜的笔光刻系统和制备方法。
背景技术
透镜作为一种重要的光学器件，在光学仪器中应用广泛，然而传统透镜存在着较大体积、难以集成等诸多问题，透镜的尺寸、集合形状以及制造材料也会受到限制。超透镜作为传统透镜的改进，其逐渐发展完善，通过使用双光子聚合光刻技术制备高质量超透镜具有高数值孔径、微型化、可封装等特点，并且能够实现对于光束强度、相位和偏振的完全控制。因此，超透镜可作为亚波长光学器件与光纤进行集成，应用于微纳成像系统和笔光刻系统中。
在此之前，传统的笔光刻系统对于透镜要求较高，且要求使用不同类型透镜组合来搭建系统，系统所处环境也会受到限制，如需处于高真空或者液体环境等，而本发明提供一种将超透镜集成到光纤端面的设计方法，能够有效地简化系统设计，降低系统搭建成本，实现笔光刻系统的灵活应用。
发明内容
为了克服现有技术中的笔光刻系统难以集成光束、系统环境复杂等难题，本发明提供了一种基于光纤端超透镜的笔光刻系统和制备方法，在单模光纤端面借助双光子激光直写技术制备超透镜，将制备的超透镜与其他光学器件结合搭建笔光刻系统。由于超透镜能够解决现有透镜技术中存在的灵活性差、尺寸受限、效率低等问题，并且能够实现对于光束相位、幅度、偏振完全控制，克服了传统笔光刻系统体积大、成本昂贵、效率低、难以集成等问题。本系统通过结合光纤端超透镜，能够在任意基底材料和制备环境下高精度地制备微纳器件，节约制备成本和时间。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个目的在于提供一种光纤端超透镜的制备系统，包括打印装置、光学成像装置和控制器；所述的光学成像装置用于获取打印时的成像信息，所述的控制器连接打印装置和光学成像装置；
所述的打印装置包括第一飞秒激光源、第一二向色镜、第一物镜、第一压电位移平台和单模光纤支撑架；
所述的第一物镜安装在第一压电位移平台上，通过第一压电位移平台实现第一物镜的移动和转动；所述的单模光纤支撑架固定在第一物镜的正上方，第一二向色镜固定在第一物镜的正下方，所述的第一飞秒激光源发射的飞秒激光束经第一二向色镜反射后进入第一物镜中。
本发明的第二个目的在于提供一种基于光纤端超透镜的笔光刻系统，包括激光装置、笔光刻平台和光学成像装置；所述的光学成像装置用于获取笔光刻平台中的光刻成像信息；
所述的激光装置包括第二飞秒激光源、声光控制器和第二物镜；所述的第二飞秒激光源由声光控制器来控制启闭，其发射出的飞秒激光束经过第一光学路径入射至第二物镜中；
所述的笔光刻平台包括由上述光纤端超透镜的制备系统制备得到的具有端面超透镜的单模光纤、以及打印基板、第二压电控制平台；所述的打印基板安装在第二压电控制平台上，能够实现打印基板在三维空间的移动；所述的单模光纤的超透镜端与第二物镜的输出端连接，单模光纤的另一端位于打印基板的上方。
与现有技术相比，本发明的优势在于：本发明提出了一种基于多光子聚合激光直写技术制备光纤端超透镜的系统和方法，使用倒置物镜光刻在光纤端面制备超透镜，使得超透镜和光纤纤芯精确结合，仅需将外部的光聚焦于光纤端超透镜，即可通过光纤端超透镜耦合进入光纤，灵活、便于操作。
本发明将制备得到的光纤端超透镜基础上，使用光控制器控制激光光源通过光路系统聚焦于光纤端超透镜，激光通过光纤端超透镜耦合进入光纤，光纤输出端借助于控制系统精准地聚焦在光敏树脂玻璃基板上，当输出激光强度高于光敏树脂聚合阈值时，光敏树脂将会固化，反之不会固化，利用该特点设计了一种光束聚集度高、效率高、灵活性高的笔光刻系统，实现了对于光束相位、幅度、偏振的完全控制，通过改变光的功率即可生成具有特定尺寸的光斑，既可以采用自动模式，也可以采用手动模式直接“书写”，像握笔书写一样，将单模光纤的输出端作为笔的输出端，可直接在旋涂有光敏材料的基板上光刻图案，实现以传统的双光子直接激光写入无法实现的许多现实结构，制备任意二维或三维模型，不受材料基底和制备环境的限制。此外，与传统的同类产品相比，大大降低了成本。
附图说明
图1为本实施例示出的一种基于双光子激光直写技术制备光纤端超透镜的装置示意图；
图中：1-第一飞秒激光源，2-第一二向色镜，3-第一飞秒激光束，4-第一压电位移平台，5-第一物镜，6-光敏树脂，7-单模光纤，8-可见光源，9-可见光束，10-第一扩束器，11-CCD成像光，12-第一CCD相机；
图2为本实施例示出的一种基于光纤端超透镜的笔光刻系统结构示意图；
图中：13-第二飞秒激光源，14-第二飞秒激光束，15-声光控制器，16-全反射镜，17-第二扩束器，18-衰减器，19-第二物镜，20-具有端面超透镜的单模光纤，21-基板，22-第二CCD相机，23-第三物镜；
图3为基于光纤端超透镜的笔光刻系统制备微纳结构流程图；
图4(a)为本实施例示出的在单模光纤端打印得到的超透镜的扫描电子显微镜图；
图4(b)为本实施例示出的光刻得到的线型结构的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明。
本发明在单模光纤端面借助双光子激光直写技术制备得到了一种具有端面超透镜的单模光纤，并将其应用于笔光刻系统的搭建中，进一步提出了一种基于光纤端超透镜的笔光刻系统。本系统中利用了具有端面超透镜的单模光纤的光束高度集成、灵活性高的特点，实现了对于光束相位、幅度、偏振的完全控制，克服了传统的笔光刻系统尺寸受限、精度低、效率低的问题。
本实施例中，如图1所示给出了一种光纤端超透镜的制备系统示意图，其中标号7为目标光纤，该图的目的在于展示如何在单模光纤7的一端通过双光子激光直写技术打印超透镜，使得超透镜与单模光纤一端直接打印连接固定。
如图1所示，一种光纤端超透镜的制备系统可分为打印装置、控制器和光学成像装置。
其中，打印装置包括第一飞秒激光源1、第一二向色镜2、第一压电位移平台4、第一物镜5和单模光纤支撑架，所述的单模光纤支撑架固定在第一物镜5的正上方，将单模光纤7垂直固定在单模光纤支撑架上，在单模光纤7下端部的纤芯位置滴加光敏树脂6，光敏树脂包裹单模光纤7，由于光敏树脂具备一定的黏性，会吸附在单模光纤7下端部的纤芯位置处，呈现倒置的液滴状。所述的第一物镜5安装在压电位移平台4上，可以通过压电位移平台4控制第一物镜在空间位置中的位移和转动，便于调整飞秒激光的聚焦位置。在所述的第一飞秒激光源1与第一物镜5之间的光路上设有二向色镜2，由所述的第一飞秒激光源1发射的第一飞秒激光束3经二向色镜2反射后进入第一物镜5中，由第一物镜将飞秒激光聚焦在待打印成型的位置，通过移动压电位移平台4完成超透镜的打印。在本实施例中，采用780nm飞秒激光源。
所述的控制器包括若干USB控制端口，第一压电位移平台4与通过USB控制端口与控制器连接，由控制器进行控制，精确地确定聚焦点位置和三维模型位置。本实施例中，采用LavVIEW软件作为控制工具，可烧录控制程序实现自动控制；第一压电控制平台用于实现第一物镜在水平方向和垂直方向上的移动和转动，来改变激光的聚焦位置。
光学成像装置包括可见光源8、第一扩束器10和第一CCD相机12，所述的可见光源(8)固定在单模光纤支撑架的一侧；由所述的可见光源8发射的可见光束9用于对待打印的位置进行照明，反射回的光透过第一物镜后垂直穿过第一二向色镜2得到CCD成像光11，再经第一扩束器10后被CCD相机接收并成像。因此，在制备开始前，可通过光学成像系统确定待打印的交界面聚焦位置，同时监测制备三维超透镜的过程，在整个制备过程中都可以通过CCD相机观察图像。本实施例中，采用632nm可见光源。
在本实施例中，上述光纤端超透镜的制备系统的具体工作方式为：
1)将单模光纤7垂直固定在单模光纤支撑架上，使单模光纤7位于第一压电位移平台4的正上方，在单模光纤7下端的纤芯位置滴加光敏树脂，所述的光敏树脂包裹住单模光纤的下端；
2)开启权利要求1所述的制备系统，将预设形状的超透镜文件导入控制器，开启可见光源8，由所述的可见光源8发射的可见光束对待打印的位置进行照明，由第一物镜5收集可见光束，再透过第一二向色镜2后在第一CCD相机12中成像，通过CCD相机实时监测打印过程；
3)开启第一飞秒激光源1，由第一飞秒激光源发射的飞秒激光束经第一二向色镜2反射后入射至第一物镜5，通过控制器调整第一压电位移平台来改变从第一物镜中射出的飞秒激光的聚焦位置，所述的聚焦位置为在单模光纤7端部待打印点的位置，当单模光纤端部的光敏树脂经一定强度的多光子飞秒激光照射后发生聚合，打印成型；
4)取下单模光纤7，将固定在单模光纤一端的超透镜浸入显影液中清洗，去除未聚合的光敏树脂，得到一种具有端面超透镜的单模光纤结构。该结构的超透镜端作为光束的入射端，超透镜能够将分散的或者集成度不高的光束全部耦合至光纤内，并将光束从另一端输出。图4(a)给出了在单模光纤端打印得到的超透镜的扫描电子显微镜图，该超透镜结构直接与光纤纤芯固定连接，不易脱落，在实际应用中便于定位，可将分散的输入光直接耦合进光纤中，对光束的聚合度和操纵灵活度高。
本发明还将上述得到的具有端面超透镜的单模光纤用于笔光刻系统的搭建中，结合其他光学器件，提出了一种基于光纤端超透镜的笔光刻系统。
如图2所示，所述的笔光刻系统包括激光装置、笔光刻平台、光学成像装置；
其中，激光装置包括第二飞秒激光源13、声光控制器15、第二物镜19；所述的第二飞秒激光源13由声光控制器来控制启闭，其发射出的第二飞秒激光束14经过第一光学路径入射至第二物镜中。本实施例中，如图2所示，在第一光学路径上布置有第二扩束器17、衰减器18和若干全反射镜16，用于将第二飞秒激光束准直、聚焦并传输至第二物镜中。
笔光刻平台包括具有端面超透镜的单模光纤20、打印基板21、第二压电控制平台；所述的第二压电控制平台包括平面压电控制平台和垂直压电控制平台，打印基板21安装在第二压电控制平台上，能够实现打印基板在三维空间的移动。单模光纤20的超透镜端连接第二物镜19的输出端，单模光纤20的另一端为自由端，既可以固定在打印基板21上方的固定位置，实现自动“书写”，也可以灵活布置在任一位置，通过人手控制该端移动，实现在打印基板21上的手动“书写”，无论采用哪种书写方式，单模光纤20的另一端(“书写端”)需位于打印基板21的上方。
光学成像装置包括第三物镜23、CCD相机22和可见光源(图2未画出)；由可见光源发出的可见光束用于照亮打印基板21，光束经第二光学路径传输至第二CCD相机22成像。因此，在光刻前，可通过光学成像装置确定待打印的交界面聚焦位置，同时监测光刻过程，在整个制备过程中都可以通过CCD相机观察图像。本实施例中，所述的第二光学路径上布置有全反射镜16和扩束器17，用于将第三物镜输出的光束传输至第二CCD相机中。
本实施例中，图2所示的笔光刻系统的具体工作方式如下：
1)在基板21上旋涂光敏材料并固定，将设计好的二维或三维结构模型导入控制器；通过控制器控制光学成像装置和第二压电控制平台，由光学成像装置中的可见光源照亮基板21，光束经第二光学路径传输至第二CCD相机成像，通过成像信息调整光敏材料和基板21界面的聚焦位置；
2)开启第二飞秒激光源13，发射出的飞秒激光束依次经过第一光学路径、第二物镜19后从单模光纤20的超透镜端耦合至单模光纤内，再从单模光纤的另一端射出，聚焦在基板上的待光刻位置点；
3)调整第二飞秒激光源的输出功率，生成具有特定尺寸的光斑，当聚焦点的光强度高于阈值时，光敏材料发生聚合；根据设计好的二维或三维结构模型通过第二压电控制平台不断调整光斑聚焦点，直至光刻结束；
4)将预制的三维结构浸没在显影剂溶液中，溶解未曝光的区域并留下所需的结构。
如图3所示，以自动光刻为例，在玻璃基板21上旋涂光敏材料并固定，将设计好的二维或三维结构模型导入控制器，对模型进行编码处理，以LabVIEW作为控制工具为例，利用LabVIEW的控制接口控制光学成像装置和第二压电控制平台，调整光刻胶和基板21界面聚焦位置。制备过程中，LabVIEW通过NI USB6003端口通过声光控制器15控制第二飞秒激光源13的开关,飞秒激光源的开关控制是基于传统的AOM系统实现的，本实施例采用780nm飞秒激光源。发射的飞秒激光束依次经过第一光学路径、第二物镜后从单模光纤20的超透镜端耦合至单模光纤20内，再从单模光纤20的另一端出射，聚焦在基板上的待光刻位置点；同时，使用NI USB6003端口控制632nm可见光源，利用可见光源发出的光照射待光刻的区域，并经CCD相机成像，实时检测激光聚焦位置和观察光刻过程。
随着透过超透镜的光被聚焦，它会根据输入光的功率生成具有特定尺寸的光斑。当聚焦点的光强度高于阈值时，光敏材料发生聚合，根据设计好的二维或三维结构模型不断调整光斑聚焦点，直至光刻结束。
将预制的三维结构浸没在显影剂溶液中，溶解未曝光的区域并留下所需的结构。
图4(b)给出了光刻得到的线型结构的扫描电子显微镜图，光刻的尺寸为纳米级别，在光纤端面制备的超透镜是二维最优化旋转对称三维超透镜。本发明将制备得到的具有端面超透镜的单模光纤应用于比光刻系统中，对飞秒激光束的聚合度极高，通过改变光的功率即可生成具有特定尺寸的光斑，易于调整，且灵活度极高，既可以采用上述描述的自动模式，也可以采用手动模式直接“书写”，像握笔书写一样，将单模光纤的输出端作为笔的输出端，可直接在旋涂有光敏材料的基板上光刻图案，实现以传统的双光子直接激光写入无法实现的许多现实结构，制备任意二维或三维模型，不受材料基底和制备环境的限制。此外，与传统的同类产品相比，大大降低了成本。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种光纤端超透镜的制备系统，其特征在于，包括打印装置、光学成像装置和控制器；所述的光学成像装置用于获取打印时的成像信息，所述的控制器连接打印装置和光学成像装置；
所述的打印装置包括第一飞秒激光源（1）、第一二向色镜（2）、第一物镜（5）、第一压电位移平台（4）和单模光纤支撑架；
所述的第一物镜（5）安装在第一压电位移平台（4）上，通过第一压电位移平台实现第一物镜（5）的移动和转动；所述的单模光纤支撑架固定在第一物镜（5）的正上方，第一二向色镜（2）固定在第一物镜（5）的正下方，所述的第一飞秒激光源（1）发射的飞秒激光束经第一二向色镜（2）反射后进入第一物镜（5）中；
所述的光学成像装置包括可见光源（8）和第一CCD相机（12），所述的可见光源（8）固定在单模光纤支撑架的一侧；由所述的可见光源（8）发射的可见光束对待打印的位置进行照明，反射回的光透过第一物镜后垂直穿过第一二向色镜（2），被第一CCD相机（12）接收并成像；
制备光纤端超透镜的步骤为：
1）将单模光纤（7）垂直固定在单模光纤支撑架上，使单模光纤（7）位于第一压电位移平台（4）的正上方，在单模光纤（7）下端的纤芯位置滴加光敏树脂，所述的光敏树脂包裹住单模光纤的下端；
2）开启所述的制备系统，将预设形状的超透镜文件导入控制器，开启可见光源（8），由所述的可见光源（8）发射的可见光束对待打印的位置进行照明，由第一物镜（5）收集可见光束，再透过第一二向色镜（2）后在第一CCD相机（12）中成像，通过CCD相机实时监测打印过程；
3）开启第一飞秒激光源（1），由第一飞秒激光源发射的飞秒激光束经第一二向色镜（2）反射后入射至第一物镜（5），通过控制器调整第一压电位移平台来改变从第一物镜中射出的飞秒激光的聚焦位置，所述的聚焦位置为在单模光纤（7）端部待打印点的位置，当单模光纤端部的光敏树脂经一定强度的多光子飞秒激光照射后发生聚合，打印成型；
4）取下单模光纤（7），将固定在单模光纤一端的超透镜浸入显影液中清洗，去除未聚合的光敏树脂，得到具有端面超透镜的单模光纤。
2.根据权利要求1所述的光纤端超透镜的制备系统，其特征在于，在所述的第一CCD相机（12）和第一二向色镜（2）之间的光路上还设有扩束器。
3.一种基于光纤端超透镜的笔光刻系统，其特征在于，包括激光装置、笔光刻平台和光学成像装置；所述的光学成像装置用于获取笔光刻平台中的光刻成像信息；
所述的激光装置包括第二飞秒激光源（13）、声光控制器（15）和第二物镜（19）；所述的第二飞秒激光源（13）由声光控制器来控制启闭，其发射出的飞秒激光束经过第一光学路径入射至第二物镜（19）中；
所述的笔光刻平台包括由权利要求1制备得到的具有端面超透镜的单模光纤（20）、以及打印基板（21）、第二压电控制平台；所述的打印基板（21）安装在第二压电控制平台上，能够实现打印基板在三维空间的移动；所述的单模光纤（20）的超透镜端与第二物镜（19）的输出端连接，单模光纤（20）的另一端位于打印基板（21）的上方。
4.根据权利要求3所述的基于光纤端超透镜的笔光刻系统，其特征在于，所述的第二压电控制平台包括平面压电控制平台和垂直压电控制平台。
5.根据权利要求3所述的基于光纤端超透镜的笔光刻系统，其特征在于，在所述的第一光学路径上布置有扩束器、衰减器和若干全反射镜，用于将第二飞秒激光束准直、聚焦并传输至第二物镜中。
6.根据权利要求3所述的基于光纤端超透镜的笔光刻系统，其特征在于，所述的光学成像装置包括第三物镜（23）、第二CCD相机（22）和可见光源；由可见光源发出的可见光束照亮打印基板（21），光束经第二光学路径传输至第二CCD相机成像。
7.根据权利要求6所述的基于光纤端超透镜的笔光刻系统，其特征在于，所述的第二光学路径上布置有全反射镜和扩束器，用于将第三物镜输出的光束传输至第二CCD相机中。
8.一种基于权利要求3所述的笔光刻系统的光刻方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在基板（21）上旋涂光敏材料并固定，将设计好的二维或三维结构模型导入控制器；通过控制器控制光学成像装置和第二压电控制平台，由光学成像装置中的可见光源照亮基板（21），光束经第二光学路径传输至第二CCD相机成像，通过成像信息调整光敏材料和基板（21）界面的聚焦位置；
2）开启第二飞秒激光源（13），发射出的飞秒激光束依次经过第一光学路径、第二物镜（19）后从单模光纤（20）的超透镜端耦合至单模光纤内，再从单模光纤的另一端射出，聚焦在基板上的待光刻位置点；
3）调整第二飞秒激光源的输出功率，生成具有特定尺寸的光斑，当聚焦点的光强度高于阈值时，光敏材料发生聚合；根据设计好的二维或三维结构模型通过第二压电控制平台不断调整光斑聚焦点，直至光刻结束；
4）将预制的三维结构浸没在显影剂溶液中，去除未聚合的光敏树脂。
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