CN113189846A - 一种基于光场调控的双路并行超分辨激光直写装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光场调控的双路并行超分辨激光打印装置，属于超分辨激光微纳加工领域。直写激光器发出的激光依次经过直写路准直器、直写路防漂移系统、直写路能量调控模块、直写路波前调控模块进入合束模块；抑制路激光器发出的激光依次经过抑制路准直器、抑制路防漂移系统、抑制路能量调控模块、抑制路波前调控模块进入合束模块；直写光在直写路波前调控模块中被调制，抑制光在抑制路波前调控模块中被调制，两路光合束后，形成两对直写‑抑制光斑组合。本发明通过分区复用SLM并利用其偏振选择特性，在一束直写光束和一束抑制光束的基础上实现了双聚焦光斑，同时实现每个光斑能量的独立调控，将激光直写打印系统的速度提升了一倍。

Description

一种基于光场调控的双路并行超分辨激光直写装置
技术领域
本发明属于激光直写加工领域，特别涉及一种基于光场调控的双路并行PPI（peripheral photo inhibition，边缘光抑制）超分辨激光直写装置。
背景技术
双光子激光打印是现代微纳加工领域中的一项重要技术，广泛应用于现代半导体产业，尤其是掩膜板的加工。同时，利用激光可以聚焦于物质内部的特性，双光子激光打印技术还具有本征的空间三维加工能力，更重要的是，其对于其他广泛应用的微纳加工技术来说，不需要苛刻的加工环境，如超真空等，也不受限于掩膜版，设备成本相对较低。不过，虽然利用物质对激光的非线性吸收效应可以实现百纳米的加工分辨率，但由于波长的限制，基于双光子的激光直写打印技术的分辨率不如电子束直写技术。此外，虽然在速度上激光直写打印的加工速度优于电子束曝光，但其加工速度依然无法和投影光刻技术相媲美，这就意味着当前的双光子激光打印技术依然无法应用于大范围加工，其三维加工能力和不受环境限制的优势也得不到充分发挥。为此，需要针对双光子激光打印技术的相对不足进行改进，一方面提升其加工分辨率，另一方面提升其加工速度或者说打印效率。
PPI激光直写是近年来提出的一项用于提升传统激光打印装置分辨率的技术，其利用另一束光形成空心光斑，抑制用于激光直写的实心光斑的作用区域，进而获得更高的特征尺寸，提高打印分辨率。本发明提出了一种基于PPI技术的双路并行超分辨打印装置，不仅可以获得提升双光子激光打印技术的分辨率，还能将其打印速度提升2倍。
发明内容
本发明的目的是一种基于光场调控的双路并行超分辨激光直写装置。利用以上装置，可以产生并行的两个超越衍射极限的焦斑，进一步提升双光子激光打印装置的分辨率和精度，同时将打印速度提升至2倍。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于光场调控的双路并行超分辨激光打印装置，包括两个光路，一路为直写光路，另一路为抑制光路，所述直写光路的光束中的两个偏振分量被不同的相位掩膜调制，经过物镜后聚焦成为两个分开的实心直写光斑；抑制光束的两个偏振分量也被不同的相位掩膜调制，经过物镜聚焦后成为两个分开的空心抑制光斑；对应的实心光斑和空心光斑中心重合，形成两对直写-抑制光斑组合，实现双路并行超分辨激光打印。
进一步的，所述直写光路依次包括直写激光器、直写路准直器、直写路防漂移系统、直写路能量调控模块、直写路波前调控模块；所述直写激光器发出的780nm的光经过直写路准直器扩束准直后变为平行光束，平行光束依次经过直写路防漂移系统、直写路能量调控模块、直写路波前调控模块进入合束模块。
进一步的，所述抑制光路包括抑制激光器、抑制路准直器、抑制路防漂移系统、抑制路能量调控模块、抑制路波前调控模块；所述抑制路激光器发出的532nm的光经过抑制路准直器扩束准直后变为平行光束，平行光束依次经过抑制路防漂移系统、抑制路能量调控模块、抑制路波前调控模块进入合束模块。
进一步的，所述直写路能量调控模块或抑制路能量调控模块用于对光束进行能量进行调控，光束进入模块后首先经过半波片、起偏器和一对反射镜，半波片用于旋转光束偏振方向，使透过起偏器的能量最大，起偏器用于生成线偏振光，反射镜对用于光束位置调节；之后光束入射到偏振分光镜上，被分为偏振方向互相垂直的两束偏振光，每束光经过声光调制器和一对反射镜后，再被另一个偏振分光镜合束；声光调制器用于对光束能量和通断进行调制。
进一步的，所述直写路波前调控模块或所述抑制路波前调控模块用于对光束的两个偏振分量进行调制；光束进入模块后，首先经过一对透镜组成的4f系统，并在焦面处对光束进行小孔滤波。之后被一对反射镜反射，入射到SLM屏幕上，期间经过一个半波片和偏振片；光束被SLM反射后经过1/4波片和透镜汇聚在一面反射镜上，被反射镜反射后再一次经过1/4波片和透镜，再一次入射到SLM；SLM的屏幕分为左右两个区域，光束两次入射到SLM不同区域。光束从SLM反射后被一对反射镜反射，经过一个半波片和1/4波片后从模块出射。
进一步的，所述SLM左右半屏幕加载不同的相位掩膜，用于对直写光束调制的SLM左右半屏分别加载左倾斜相位和右倾斜相位，用于抑制光束调制的SLM左半屏加载左倾斜相位并叠加涡旋相位，右半屏加载右倾斜相位并叠加涡旋相位。
进一步的，所述合束模块用于对从两个波前调控模块出射的光束进行合束；进入合束模块的一束光束经过两个透镜组成的4f系统入射到合束二色镜上，期间经过两对反射镜，用于折转和调节光路；另一束光经过相同的器件入射到同一二色镜上进行合束；合束后的两束光再经过一个分光镜，部分能量被反射进入扫描系统，之后从合束模块出射，另一部分能量透射，被一对反射镜反射从模块出射后入射到能量探测器上，对光束能量波动进行监测；此外，从物镜返回的光束，经过扫描系统后返回分光镜，透射的能量被一面反射镜反射后从合束模块出射，进入PSF探测器。
本发明的有益效果：本发明实现了两个焦斑并行PPI直写打印，将传统单路激光直写打印系统的速度提升了一倍。传统单路PPI直写打印系统包含一束直写光束和一束抑制光束，本发明在不增加系统模块的前提下，通过分区复用SLM并利用其偏振选择特性，在一束直写光束和一束抑制光束的基础上实现了双聚焦光斑并行加工同时可以实现每个光斑能量的独立调控。
附图说明
图1为本发明的基于光场调控的双路并行PPI激光直写装置原理示意图。
图2a为直写光斑和抑制光斑的示意图。
图2b为传统系统的聚焦光斑单路打印的示意图。
图2c为本发明中聚焦光斑双路打印的示意图。
图3为本发明中能量调控模块的结构示意图。
图4为本发明中波前调控模块的结构示意图。
图5为本发明中合束模块的结构示意图。
图6为本发明的基于光场调控的双路并行PPI激光直写装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的基本原理如图1所示，包含一路直写光束和一路抑制光束，每路光又被正交分解为p分量和s分量。直写光束的p分量被左倾斜相位调制，s分量被右倾斜相位调制。经过物镜后，直写光束的两个偏振分量聚焦后成为两个分开的直写光斑。抑制光束的p分量被左倾斜相位和涡旋相位调制，s分量被右倾斜相位和涡旋相位调制。经过物镜后，抑制光束的两个偏振分量聚焦后成为两个分开的空心抑制光斑。
如图2a-图2c所示，直写光斑为实心光斑，抑制光斑为空心光斑。如果不对光束的p分量和s分量调制，则在焦面上只有一对光斑，即为传统单路打印。本发明中，直写光束s分量和抑制光束s分量产生的光斑中心重合，直写光束p分量和抑制光束p分量产生的光斑中心重合，形成两对打印光斑组合，打印速度提升一倍。
如图3所示，为本发明中能量调控模块的结构。光束进入能量调控模块后首先经过一个半波片p1、起偏器p2和一对反射镜p3和p4，半波片p1用于旋转光束偏振方向，使透过起偏器p2的能量最大，起偏器p2用于生成线偏振光，反射镜p3、p4用于调节光束位置调节。之后光束入射到偏振分光镜p5上，被分为偏振方向互相垂直的两束偏振光，其中一束光经过声光调制器p9和一对反射镜p10、p11后进入偏振分光镜p12，另一束光经过声光调制器p6和一对反射镜p7、p8以后也进入偏振分光镜p12，两束光被偏振分光镜p12合束后从模块出射。声光调制器p9和p10用于对光束能量和通断进行调控。
如图4所示，波前调控模块用于对光束的两个偏振分量进行调制。光束进入波前调控模块后，首先经过一对透镜m1和m3组成的4f系统，并在焦面处对光束用小孔m2进行滤波。之后经过反射镜m4、半波片m5、起偏器m6被反射镜m7反射，入射到SLM m8的屏幕上，半波片m5和起偏器m6的作用和能量调控模块中的一样。光束被SLM m8反射后经过1/4波片m9和透镜m10汇聚在反射镜m11上，被反射镜m11反射后再一次经过1/4波片m9和透镜m10，再一次入射到SLM m8上。SLM m8的屏幕分为左右两个区域，光束两次入射到SLM m8不同区域。由于SLM m8只对水平方向的p光调制，所以第一次入射只有p光被调制，光束两次经过1/4波片m9，偏振方向旋转90°，这样之前未被调制的s光变为p光，被调制。这样，p光和s光被SLM m8左右屏幕的掩膜分别调制。SLM m8左右半屏幕加载不同的相位掩膜，用于对直写光束调制的模块SLM m8左右半屏分别加载左倾斜相位和右倾斜相位，用于抑制光束调制的模块SLMm8左半屏加载左倾斜相位并叠加涡旋相位，右半屏加载右倾斜相位并叠加涡旋相位。光束从SLM m8反射后被一对反射镜m12和m13反射，经过半波片m14和1/4波片m15后从模块出射。
如图5所示，合束模块用于对从两个波前调控模块出射的光束进行合束。进入合束模块的一束光束经过两个透镜c1和c6组成的4f系统入射到合束二色镜c7上，期间经过两对反射镜c2、c3、c4、c5，用于折转和调节光路。进入合束模块的另一束光经过两个透镜c10和c14组成的4f系统入射到合束二色镜c7上，期间经过两对反射镜c11、c12、c13、c14，用于折转和调节光路。合束后的两束光再经过一个分光镜c8，部分能量被反射进入扫描系统c9后从合束模块出射。另一部分能量透射，被一对反射镜c16、c17反射从合束模块出射。此外，从焦面返回的光束，经过扫描系统c9后返回分光镜c8，透射的能量被一面反射镜c15反射后从合束模块出射。
图6为本发明基于光场调控的双路并行PPI激光直写装置总体结构图。该装置包含两路光，一路为直写光路，另一路为抑制光路。直写光路中，直写激光器1发出780nm的光束经过直写路准直器2扩束准直后再依次直写路防漂移系统4、直写路能量调控模块4、直写路波前调控模块5进入合束模块11。抑制光路中，抑制激光器6发出532nm的光束经过抑制路准直器7扩束准直后再依次抑制路防漂移系统8、抑制路能量调控模块9、抑制路波前调控模块10进入合束模块11。两路光在合束模块11中合束后经过扫描镜12和场镜13，进入物镜14聚焦，在焦面上形成两对直写-抑制焦斑组合。合束模块中分出的一路合束光束出射后进入位置探测器15对光束位置进行检测。焦面处放置样品可以标定系统PSF，样品发出的光经过物镜14、场镜13、扫描镜12返回合束模块11，再从合束模块出射进入探测器16,进行PSF测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光场调控的双路并行超分辨激光打印装置，包括两个光路，一路为直写光路，另一路为抑制光路，其特征在于：所述直写光路的光束中的两个偏振分量被不同的相位掩膜调制，经过物镜后聚焦成为两个分开的实心直写光斑；抑制光束的两个偏振分量也被不同的相位掩膜调制，经过物镜聚焦后成为两个分开的空心抑制光斑焦斑；对应的实心光斑和空心光斑中心重合，形成两对直写-抑制光斑组合，实现双路并行超分辨激光打印。
2.如权利要求1所述的基于光场调控的双路并行超分辨激光打印装置，其特征在于：所述直写光路依次包括直写激光器、直写路准直器、直写路防漂移系统、直写路能量调控模块、直写路波前调控模块；所述直写激光器发出的780nm的光经过直写路准直器扩束准直后变为平行光束，平行光束依次经过直写路防漂移系统、直写路能量调控模块、直写路波前调控进入合束模块。
3.如权利要求1所述的基于光场调控的双路并行超分辨激光打印装置，其特征在于：所述抑制光路包括抑制激光器、抑制路准直器、抑制路防漂移系统、抑制路能量调控模块、抑制路波前调控模块；所述抑制路激光器发出的532nm的光经过抑制路准直器扩束准直后变为平行光束，平行光束依次经过抑制路防漂移系统、抑制路能量调控模块、抑制路波前调控进入合束模块。
4.如权利要求2或3所述的基于光场调控的双路并行超分辨激光打印装置，其特征在于：所述直写路能量调控模块或抑制路能量调控模块用于对光束进行能量调控，光束进入模块后首先经过半波片、起偏器和一对反射镜，半波片用于旋转光束偏振方向，使透过起偏器的能量最大，起偏器用于生成线偏振光，反射镜用于调节光束位置；之后光束入射到偏振分光镜上，被分为偏振方向互相垂直的两束偏振光，每束光经过声光调制器和一对反射镜后，再被另一个偏振分光镜合束；声光调制器用于对光束能量和通断进行调制。
5.如权利要求2或3所述的基于光场调控的双路并行超分辨激光打印装置，其特征在于：所述直写路波前调控模块或所述抑制路波前调控模块用于对光束的两个偏振分量进行调制；光束进入模块后，首先经过一对透镜组成的4f系统，并在焦面处对光束进行小孔滤波；之后被一对反射镜反射，入射到SLM屏幕上，期间经过一个半波片和偏振片；光束被SLM反射后经过1/4波片和透镜汇聚在一面反射镜上，被反射镜反射后再一次经过1/4波片和透镜，再一次入射到SLM上；SLM的屏幕分为左右两个区域，光束两次入射到SLM屏幕的不同区域；光束从SLM反射后被一对反射镜反射，经过一个半波片和1/4波片后从模块出射。
6.如权利要求5所述的基于光场调控的双路并行超分辨激光打印装置，其特征在于：所述SLM左右半屏幕加载不同的相位掩膜，用于对直写光束调制的SLM左右半屏分别加载左倾斜相位和右倾斜相位，用于对抑制光束调制的SLM左半屏加载左倾斜相位并叠加涡旋相位，右半屏加载右倾斜相位并叠加涡旋相位。
7.如权利要求6所述的基于光场调控的双路并行超分辨激光打印装置，其特征在于：所述合束模块用于对从两个波前调控模块出射的光束进行合束；进入合束模块的一束光束经过两个透镜组成的4f系统入射到合束二色镜上，期间经过两对反射镜，用于折转和调节光路；另一束光经过相同器件的另一光路，入射到同一二色镜上进行合束；合束后的两束光再经过一个分光镜，部分能量被反射进入扫描系统，之后从合束模块出射；另一部分能量透射，被一对反射镜反射从模块出射，入射到能量探测器上，对光束能量波动进行监测；此外，从物镜返回的光束，经过扫描系统后返回分光镜，透射的能量被一面反射镜反射后从合束模块出射，进入PSF探测器。
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