CN113515017B - 一种基于aod扫描的双光束高速激光直写方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声光偏转（AOD）扫描的双光束高速激光直写方法和装置，该装置包括两路光，其中一路光在汇聚到样品面上产生实心光斑，用于激发光刻胶的聚合反应；另一路光汇聚到样品面上产生空心光斑，用于抑制或终止光刻胶聚合反应中的某个关键步骤，从而抑制光聚合反应。两束光进行对准合束后经过两个紧靠并互相垂直放置着的AOD，其中一个进行x方向扫描，另一个进行y方向扫描，两者同时实现光束在样品面上高速高精度的二维扫描。利用本发明，有望实现速度和分辨率分别达10^6点/s和亚50 nm的高速、超分辨激光直写，为超分辨激光微纳加工技术提高加工效率提供有力支撑。
Description
技术领域
本发明涉及超精密光学刻写领域，具体地，涉及一种基于AOD扫描的双光束高速激光直写方法与装置。
背景技术
激光直写是一种利用激光直接“雕刻”微纳结构的加工方法，具有灵活性强的特
点，同时相对于传统的掩膜曝光光刻方法而言，无需掩膜、进而成本低廉，因而受到业界广
泛的欢迎。但是，与显微成像系统一样，激光直写系统受到了光学元件衍射的限制，其刻写
分辨率在阿贝衍射极限范围内，用公式表示为（其中， 为与刻写工艺相关的常
数， 为激光波长， 为刻写物镜的数值孔径）。为了突破衍射极限，受到超分辨显微成像
中受激辐射损耗（STED）的启发，人们提出了一种基于双光束的激光直写方法，其中一束实
心光用于引发样品的光聚合反应，另一束空心光用于抑制环形区域样品的光聚合反应，因
此只有空心光中心区域产生聚合，从而将直写分辨率从约200 nm提升至亚50 nm。
在激光直写中，需要对激光束进行扫描，从而获得所需的结构。在现有的双光束激光直写系统中，光束的扫描通常借助于机械式扫描的方法来实现，例如采用振镜或者转镜进行光束的扫描，这种方法常常因为机械抖动的原因，使光束的稳定性变差，进而影响刻写的精度与质量；此外，更为重要的是，机械式扫描的速度受限于机械本身的迟滞，例如振镜的扫描速度最高为kHz量级，从而限制了激光直写的速度。AOD作为一种声光偏转器件，其工作原理基于的是材料本身由于声波而形成的周期性光栅结构对光产生衍射而实现的光偏转，具有很好的光束稳定性；同时，AOD具有极高的光束偏转速度，最高可达MHz，单点停留时间为亚微秒量级，因而可以获得极高的刻写速度。
AOD可实现光偏转的特点被广泛应用于成像系统中作为扫描器件，在双光子/多光子显微成像系统中具有大量的应用实例；同时，也被应用于单光束激光直写系统中。就目前为止，未发现利用AOD应用于双光束激光直写系统中。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于AOD扫描的双光束高速激光直写方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置，包括用于引发光刻胶聚合反应的激发光路、用于抑制或终止光刻胶材料聚合反应中某个关键步骤（如自由基引发单体聚合等）的去激发光路、用于两束光进行合束的合束器、用于对合束后的光进行二维扫描的AOD器件对、用于扫描中继的扫描透镜和场镜、以及物镜；
设有沿激发光路依次设置的：
第一激光器，用于产生激发光，用以引发光刻胶材料的单光子吸收或双光子吸收的光聚合反应；
第一光开关，用于控制激发光的开关并实现光强的调控；
第一半波片，用于旋转激发光的线偏振方向；
第一准直器，用于激发光的准直与扩束，使激发光变成具有一定大小光斑尺寸的平行光束；
设有沿去激发光路依次设置的：
第二激光器，用于产生去激发光，用以抑制或终止光刻胶光聚合反应中的某个关键步骤，从而抑制光刻胶的光聚合反应；
第二光开关，用于控制去激发光的开关并实现光强的调控；
第二半波片，用于旋转去激发光的偏振方向；
第二准直器，用于去激发光的准直与扩束，使激发光变成与激发光具有相同光斑大小的平行光束；
涡旋相位板，用于调制去激发光的相位，使其经后续物镜汇聚后变成空心光斑；
合束器，用于将激发光与去激发光进行对准合束；
设有合束后的光路设置的：
第一AOD，用于对光束实现沿y方向扫描；
第二AOD，用于对光束实现沿x方向扫描；
扫描透镜，用于将平行光变成汇聚光；
场镜，用于将汇聚光变成平行光，与扫描透镜结合用于调整出射平行光光斑大小与入射于后续物镜入瞳面的角度；
物镜，用于将具有一定扫描角的平行光汇聚于焦面处的样品上；
精密位移平台，用于放置待刻样品，实现待刻样品精密轴向移位；
还包括：
计算机，用于给第一光开关和第二光开关输入控制信号以控制其对光的开关调节，也给第一AOD和第二AOD输入控制信号以控制其对光的扫描角度，同时给精密位移台输入控制信号以控制其轴向移动。
作为优选的，第一激光器可以为连续光激光器，用于引发光刻胶的单光子吸收聚合反应，也可以为飞秒脉冲激光器，用于用于引发光刻胶的双光子吸收聚合反应；
作为优选的，第一半波片将脉冲激光的线偏振方向调整为S偏振方向。
作为优选的，第二激光器为连续光激光器；
作为优选的，第二激光器的波长与第一激光器的波长相等；
作为优选的，第二半波片将连续激光的线偏振方向调整为P偏振方向；
作为优选的，第一光束准直器和第二光束准直器由两片不同焦距的透镜和放置于其中的小孔组成；
作为优选的，合束器为偏振分光镜；
作为优选的，第一AOD和第二AOD互相垂直放置；
本发明还提供了一种基于AOD扫描的双光束高速激光直写方法，包括步骤：
（1）第一激光器发出的激光作为激发光，经过第一光开关可以控制所述激发光的开关与光强，再入射到第一半玻片，可以调节所述激发光的线偏振方向，再入射到第一光束准直器，对所述激发光进行准直和扩束，使其输出具有一定光斑大小的平行光；
（2）第二激光器发出的与激发光具有相同波长的连续激光作为去激发光，经过第二光开关可以控制所述去激发光的开关与光强，再入射到第二半玻片调节其线偏振方向，然后经过第二准直器，对素数去激发光精选准直和扩束，使其输出具有与激发光相同大小光斑的平行光，再入射到涡旋相位板上改变其波前，使所述去激发光变成涡旋光，经过后续物镜汇聚后在样品面上形成空心光斑；
（3）旋转第一半玻片使激发光变成P偏振光，同时旋转第二半波片使去激发光变为S偏振光，所述激发光和去激发光经过偏振分光镜进行合束重合；
（4）合束后的平行光入射到互相垂直放置的第一AOD和第二AOD，实现对所述合束光的高速扫描，再经过扫描透镜和场镜对所述合束平行光的光斑尺寸以及扫描角度进行进一步的缩放，再入射到物镜上，经过物镜汇聚到焦面处的待刻样品上；
（5）激发光在待刻样品面上汇聚成实心光斑，去激发光在待刻样品面上汇聚成空心光斑，空心光严格套在实心光外圈区域，激发光的实心光斑引发光刻胶样品的光聚合反应，去激发光的空心光斑抑制或终止光刻胶样品的光聚合反应中的某个关键步骤，从而终止光聚合反应，使光刻胶仅在空心光斑中心光强为零附近区域产生光聚合；
（6）通过计算机控制第一AOD和第二AOD的驱动电压，实现光束在二维方向上进行扫描，从而实现激光在样品面上的二维扫描直写；
（7）通过计算机控制精密位移平台上压电的驱动电压，实现平台精密的轴向移动，从而完成下一个光学层切面的激光直写，直至完成整个三维结构的刻写；
（8）在刻写过程中，通过计算机控制第一光开关和第二光开关的驱动电压，实现激发光和去激发光的开关与光强的灵活调控，实现任意三维形状的直写；
作为优选的，当第一激光器为飞秒脉冲激光器时，在激发光路中需插入棱镜作为空间和时间色散补偿，以实现扫描时获得最优的光斑质量；
作为优选的，当第一激光器为飞秒脉冲激光器时，旋转所述棱镜，使其中垂线与第一AOD和第二AOD形成的对角线平行，用以补偿两AOD产生的空间色散；
作为优选的，当第一激光器为飞秒脉冲激光器时，改变棱镜和两个AOD之间的距离，用以补偿两AOD产生的时间色散。
现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
（1）相比于机械式（如振镜）扫描的方法，AOD具有高速扫描的特点，利用AOD对双光束进行扫描可以在分辨率提升的同时，提高刻写速度，获得更高的微纳加工效率；
（2）相比于机械式（如振镜）扫描的方法，AOD基于声光偏转实现光束扫描具有无机械抖动的特点，因而具有更高的稳定性，本方法可以获得更高的刻写精度。
附图说明
图1为本发明基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置示意图；
图2a为图1中虚线框内棱镜与AOD空间位置关系的三维视图；
图2b为图2a中虚线框内棱镜与AOD空间位置关系的另一视角图；
图3a为未进行空间色散补偿的光斑示意图；
图3b为进行了空间色散补偿的光斑示意图；
图4为光束脉冲宽度示意图，其中a为激发光输出时的脉冲宽度，b为经过两个AOD进行了时间色散补偿的脉冲宽度，c为经过两个AOD而未进行时间色散补偿的脉冲宽度。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图1所示，本发明的基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置，该装置的激发光路以使样品产生双光子吸收的飞秒脉冲激光器为光源，具体包括：
第一激光器1，为飞秒脉冲光激光器，产生的飞秒脉冲激光作为激发光，可以实现待刻样品双光子（脉冲激光）吸收效应，引发光刻胶材料双光子聚合反应；
第一光开关2，用于激发光的开关控制和光强调控；
第一半波片3，用于改变激发光的偏振方向，使其变为P偏振光；
第一光束准直器4，由具有不同焦距的两片透镜和放置于其中的小孔组成，用于准直激发光，并实现所述激发光束的扩束，使其输出为光斑具有一定大小的平行光；
三角棱镜5，用于补偿激发光在后续经过两个AOD时产生的时间色散和空间色散；
第一反射镜6，用于转折光路；
第二反射镜7，用于转折光路；
第二激光器8，为连续光激光器，用于产生去激发光，其波长与第一激光器相同；
第二光开关9，用于去激发光的开关控制和光强调控；
第二半波片10，用于改变激发光的偏振方向，使其变为S偏振光；
第二光束准直器11，由具有不同焦距的两片透镜和放置于其中的小孔组成，用于准直去激发光，并实现所述去激发光束的扩束，使其输出为与激发光路光斑大小一致的平行光；
涡旋相位板12，用于改变去激发光的相位，使其变成涡旋光；
第三反射镜13，用于转折光路；
偏振分光镜14，用于将激发光和去激发光进行合束；
第一AOD15，用于对合束的激发光和去激发光沿y轴进行扫描；
第二AOD16，用于对合束的激发光和去激发光沿x轴进行扫描；
扫描透镜17，用于将平行光变成汇聚光；
第四反射镜18，用于转折光路；
场镜19，用于将汇聚光变成平行光，与扫描透镜17结合用于调整出射平行光光斑大小与入射于后续物镜20入瞳面的角度；
物镜20，用于将具有一定扫描角的平行光汇聚于焦面处的样品上；
精密位移平台21，用于放置待刻样品，实现待刻样品精密轴向移位；
待刻样品22，为光刻胶，可以对激发光产生双光子吸收效应，引发光聚合反应，同时对相同波长下的去激发光产生抑制或终止光聚合的关键步骤从而抑制光聚合的作用；
计算机23，用于给第一光开关和第二光开关输入控制信号以控制其对光的开关调节，也给第一AOD15和第二AOD16输入控制信号以控制其对光的扫描角度，同时给精密位移台输入控制信号以控制其轴向移动。
本实施例中基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置的工作过程如下：
（1）第一激光器1发出飞秒脉冲线偏振激光作为激发光，所述激发光经过第一光开关2进行开关控制以及光强调节，然后再通过第一半波片3，旋转其光轴可以改变所述激发光的偏振方向，使其变为P偏振光，然后经过由第一光束准直器4进行扩束和准直，所述第一光束准直器4由两个透镜以及放置于其共焦面处的小孔构成，可以使所述激发光变成具有一定光斑大小的平行光束，再入射到一三角棱镜5进行色散补偿，光束经过偏折后入射到第一反射镜6进行转折，然后再入射到第二反射镜7调节光束的偏转使其与激发光从第一激光器1出射的方向相同；
（2）第二激光器8发出连续线偏振激光作为去激发光，所述第二激光器8发出的激发光波长与第一激光器1发出的去激发光波长相同，所述去激发光经过第二光开关9进行开关控制以及光强调节，然后通过第二半波片10，旋转其光轴可以调节所述去激发光的线偏振方向，使其变为S偏振光，然后再入射到第二光束准直器11进行扩束和准直，所述第一光束准直器11由两个透镜以及放置于其共焦面处的小孔构成，可以使所述去激发光变成具有一定光斑大小的平行光束，然后经过涡旋相位板12，使其变成涡旋光，然后入射到第三反射镜13；
（3）经过第二反射镜7反射的激发光和经过第三反射镜13反射的去激发光入射到偏振分光镜14进行合束，所述合束光再入射到两个互相垂直的第一AOD15和第二AOD16，分别对所述合束光沿y方向和x方向进行扫描，旋转三角棱镜5的入射面，使其入射面处的中垂线与互相垂直放置的第一AOD15和第二AOD16形成的对角线平行，如图2a和2b所示，以补偿激发光束经过第一AOD15和第二AOD16时所产生的空间色散，使激发光光斑在样品面上由未补偿的椭圆变成圆形，如图3a和3b所示，调节三角棱镜5和第一AOD15和第二AOD16之间沿光束传播方向的距离，以补偿激发光束经过第一AOD15和第二AOD16时所产生的时间色散，使激发光脉冲宽度在经过第一AOD15和第二AOD16时脉冲得到压缩，如图4所示，以保证激发光到达样品面处具有足够的瞬时功率，满足样品的双光子吸收的条件；
（4）所述合束光经过第一AOD15和第二AOD16高速扫描后入射到扫描透镜17进行汇聚，然后由第四反射镜反射进入到场镜19，选择合适的扫描透镜17和场镜19的焦距，以实现对光束光斑尺寸以及扫描角度的缩放，经过场镜19出射的平行光束再以一定的扫描角入射到物镜20，从而将平行光汇聚于处于物镜焦面20并放置于精密位移台20的样品22面上，激发光汇聚成实心光斑，可以使光刻胶22产生双光子吸收效应，引发光刻胶22的光聚合反应，去激发光汇聚成空心光斑，准确套在实心光斑外圈区域，可以抑制或终止光刻胶22光聚合反应的某个关键环节，从而抑制光聚合反应，仅使空心光斑中心光强为零附近区域的光刻胶22产生光聚合反应，实现了超分辨的激光直写；
（5）通过计算机23控制第一AOD15和第二AOD16的驱动电压，实现光束在二维方向上进行扫描，从而实现激光在样品面上的二维扫描直写；
（7）通过计算机23控制精密位移平台21上压电的驱动电压，实现平台精密21的轴向移动，从而完成下一个光学层切面的激光直写，直至完成整个三维结构的刻写；
（8）在刻写过程中，通过计算机23控制第一光开关2和第二光开关9的驱动电压，实现激发光和去激发光的开关与光强的灵活调控，实现任意三维形状的直写。
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 (9)
1.一种基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置，包括用于引发光刻胶聚合反应的激发光路、用于抑制或终止光刻胶材料聚合反应中某个关键步骤的去激发光路、用于两束光进行合束的合束器、用于对合束后的光进行二维扫描的AOD器件对、用于扫描中继的扫描透镜和场镜、以及物镜，其特征在于：
设有沿激发光路依次设置的：
第一激光器，用于产生激发光，用以引发光刻胶材料的单光子吸收或双光子吸收的光聚合反应；
第一光开关，用于控制激发光的开关并实现光强的调控；
第一半波片，用于旋转激发光的线偏振方向；
第一准直器，用于激发光的准直与扩束，使激发光变成具有一定大小光斑尺寸的平行光束；
设有沿去激发光路依次设置的：
第二激光器，用于产生去激发光，用以抑制或终止光刻胶光聚合反应中的某个关键步骤，从而抑制光刻胶的光聚合反应；
第二光开关，用于控制去激发光的开关并实现光强的调控；
第二半波片，用于旋转去激发光的偏振方向；
第二准直器，用于去激发光的准直与扩束，使激发光变成与激发光具有相同光斑大小的平行光束；
涡旋相位板，用于调制去激发光的相位，使其经后续物镜汇聚后变成空心光斑；
合束器，用于将激发光与去激发光进行对准合束；
设有合束后的光路设置的：
第一AOD，用于对光束实现沿y方向扫描；
第二AOD，用于对光束实现沿x方向扫描；
扫描透镜，用于将平行光变成汇聚光；
场镜，用于将汇聚光变成平行光，与扫描透镜结合用于调整出射平行光光斑大小与入射于后续物镜入瞳面的角度；
物镜，用于将具有一定扫描角的平行光汇聚于焦面处的样品上；
精密位移平台，用于放置待刻样品，实现待刻样品精密轴向移位；
还包括：
计算机，用于给所述第一光开关和第二光开关输入控制信号以控制其对光的开关调节，也给所述第一AOD和第二AOD输入控制信号以控制其对光的扫描角度，同时给所述精密位移平台输入控制信号以控制其轴向移动。
2.如权利要求1所述的基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置，其特征在于：所述第一激光器为连续光激光器，用于引发光刻胶的单光子吸收聚合反应，或者为飞秒脉冲激光器，用于引发光刻胶的双光子吸收聚合反应。
3.如权利要求1所述的基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置，其特征在于：所述第二激光器为连续光激光器。
4.如权利要求1所述的基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置，其特征在于：所述第二激光器的波长与第一激光器的波长相等。
5.如权利要求1所述的基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置，其特征在于：所述第一AOD和第二AOD互相垂直放置。
6.一种使用权利要求1-5之一所述的基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置的高速激光直写方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）第一激光器发出的激光作为激发光，经过第一光开关控制所述激发光的开关与光强，再入射到第一半玻片，可以调节所述激发光的线偏振方向，再入射到第一光束准直器，对所述激发光进行准直和扩束，使其输出具有一定光斑大小的平行光；
（2）第二激光器发出的与激发光具有相同波长的连续激光作为去激发光，经过第二光开关控制所述去激发光的开关与光强，再入射到第二半玻片调节其线偏振方向，然后经过第二准直器，对素数去激发光精选准直和扩束，使其输出具有与激发光相同大小光斑的平行光，再入射到涡旋相位板上改变其波前，使所述去激发光变成涡旋光，经过后续物镜汇聚后在样品面上形成空心光斑；
（3）旋转第一半玻片使激发光变成P偏振光，同时旋转第二半波片使去激发光变为S偏振光，所述激发光和去激发光经过偏振分光镜进行合束重合；
（4）合束后的平行光入射到互相垂直放置的第一AOD和第二AOD，实现对合束光的高速扫描，再经过扫描透镜和场镜对所述合束后的平行光的光斑尺寸以及扫描角度进行进一步的缩放，再入射到物镜上，经过物镜汇聚到焦面处的待刻样品上；
（5）激发光在待刻样品面上汇聚成实心光斑，去激发光在待刻样品面上汇聚成空心光斑，空心光严格套在实心光外圈区域，激发光的实心光斑引发光刻胶样品的光聚合反应，去激发光的空心光斑抑制或终止光刻胶样品的光聚合反应中的某个关键步骤，从而终止光聚合反应，使光刻胶仅在空心光斑中心光强为零附近区域产生光聚合；
（6）通过计算机控制第一AOD和第二AOD的驱动电压，实现光束在二维方向上进行扫描，从而实现激光在样品面上的二维扫描直写；
（7）通过计算机控制精密位移平台上压电的驱动电压，实现平台精密的轴向移动，从而完成下一个光学层切面的激光直写，直至完成整个三维结构的刻写；
（8）在刻写过程中，通过计算机控制第一光开关和第二光开关的驱动电压，实现激发光和去激发光的开关与光强的灵活调控，实现任意三维形状的直写。
7.如权利要求6所述的高速激光直写方法，其特征在于：当第一激光器为飞秒脉冲激光器时，在激发光路中插入棱镜作为空间和时间色散补偿，以实现扫描时获得最优的光斑质量。
8.如权利要求7所述的高速激光直写方法，其特征在于：旋转所述棱镜，使其中垂线与第一AOD和第二AOD形成的对角线平行，用以补偿两AOD产生的空间色散。
9.如权利要求7所述的高速激光直写方法，其特征在于：改变棱镜和两个AOD之间的距离，用以补偿两AOD产生的时间色散。
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