CN113909677A - 一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法及系统 - Google Patents
一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113909677A CN113909677A CN202111230626.8A CN202111230626A CN113909677A CN 113909677 A CN113909677 A CN 113909677A CN 202111230626 A CN202111230626 A CN 202111230626A CN 113909677 A CN113909677 A CN 113909677A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- scanning
- laser
- sample piece
- sample
- speed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 title claims abstract description 86
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 title claims abstract description 19
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 113
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 29
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 25
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 11
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 4
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 abstract description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 2
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000002301 combined effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
- B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
- B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
Abstract
本发明公开了一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法及系统，属于超快激光微细加工技术领域，该方法是利用扫描振镜内部两个反射镜的偏摆使激光焦点始终在样件内部做速度高于聚合速度阈值的快速循环圆形运动，以避免激光焦点在材料内部产生过曝光。同时利用xy向运动平台驱动样件做快速平面运动。通过激光焦点每个循环周期内运动速度与样件速度方向相同的速度补偿阶段，实现激光焦点相对于样件的低速聚合。z向运动平台驱动样件实现z向的叠加制造。所述方法可有效避免高功率情况下激光焦点由于启停阶段的短时停留造成的过曝光，解决了双光子聚合快速扫描受限于材料聚合反应时间的问题，易于实施，可实现了双光子聚合的高效加工。
Description
技术领域
本发明属于超快激光微细加工技术领域，具体涉及一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法及系统。
背景技术
超快激光以脉冲形式运转，具有脉冲持续时间非常短、瞬间功率极高等特点，在与物质的相互作用过程中会产生各种非线性光学效应。利用这些非线性效应，理论上可以对任意材料实现结构加工与物性调控。飞秒激光双光子聚合技术在任意复杂三维微纳功能器件领域显示了巨大的技术优势，在航空航天、精密制导、红外遥感、军事侦察、生物医学等等诸多重要领域有着重要的应用。基于双光子聚合技术的微纳增材制造技术，依赖于超快激光在激光焦点邻近区域产生的光诱导聚合反应，在结合了超快激光短脉冲以及高频率的超低热扩散效应的特点和较小焦点聚合区域的情况下，能够实现微纳米级别的高精度制造。激光焦点聚合所形成的最小尺寸单元被称之为体元。较小的体元尺寸构筑完整的三维结构需要冗长的加工路径。因此，双光子聚合的加工效率低的问题仍为业内所诟病，也成为双光子聚合加工技术进行产业化应用的重要阻碍。
在加工材料相同的情况下，影响双光子聚合形成结构的工艺参数主要是激光功率和扫描速度。激光功率越高，诱导材料的光能越充足，聚合越充分。但过高的激光功率会导致材料过度曝光。扫描速度则影响着双光子聚合加工的加工效率。扫描速度越快，光诱导材料发生聚合反应的持续时间越短，加工的线宽越细。扫描速度超过聚合速度阈值会导致材料受到的辐照能量不足，反应不充分甚至不反应，无法聚合成稳定结构。因此，若要提高双光子聚合加工的效率，高功率下的快速扫描是一个有效的手段。但聚合反应十分迅速，采用较高的激光功率会使加工过程的曝光难以控制，聚焦后的激光焦点在材料内部微秒级的短暂停留也可能导致过度曝光。目前，仍少有学者提出高激光功率下的快速曝光方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种扫描振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法及系统，以解决双光子聚合加工效率低的问题。该方法是利用扫描振镜内部两个反射镜的偏摆使激光焦点始终在样件内部做速度高于聚合速度阈值的快速循环圆形运动，以避免激光焦点在材料内部产生过曝光。同时利用xy向运动平台驱动样件做快速平面运动。通过激光焦点每个循环周期内运动速度与样件速度方向相同的速度补偿阶段，实现激光焦点相对于样件的低速聚合。z向运动平台驱动样件实现z向的叠加制造。
本发明的方法是通过扫描振镜驱动激光焦点不断地做高于聚合阈值速度的循环圆形运动，一方面可避免激光焦点在高激光功率下的过曝光，另一方面，每个圆形运动的周期内存在与三维运动平台xy平面运动速度的同向阶段，使激光焦点相对于材料产生较小的相对速度，低于聚合阈值速度，发生双光子聚合反应。此时，激光焦点相对于材料的扫描速度取决于圆形运动速度与xy平面运动速度的差值，而非两者单方面的速度。z向运动平台驱动样件实现z向的叠加制造。预期结构的成形速度取决于三维运动平台的速度。扫描振镜作为速度补偿辅助设备，并不影响成形速度。所述方法可有效避免高功率情况下激光焦点由于启停阶段的短时停留造成的过曝光，解决了双光子聚合快速扫描受限于材料聚合反应时间的问题，易于实施，可实现了双光子聚合的高效加工。
本发明通过如下技术方案实现：
一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法，具体包括如下步骤：
步骤一：将涂覆有光刻胶的基底作为样件11，放置于支架10之上，照明光源12放置于样件11之下，支架10和照明光源12通过螺钉固定于x向运动轴13的运动台之上，x向运动轴13固定于y向运动轴14的运动台上；通过工控机16输出信号，控制x向运动轴13和y向运动轴14的运动台带动样件11分别沿x向和y向运动，两个扫描振镜4、反射镜5、4F系统6、分束镜7、聚焦物镜9以及相机15均通过螺钉安装到z向运动轴8的运动台上，通过工控机16输出信号控制z向运动轴8驱动激光光束沿z向移动；所述激光束2由激光器1发出，经光学镜组3衰减、扩束，被反射镜5反射射入扫描振镜4中，在依次通过4F系统6、分束镜7、聚焦物镜9后，聚焦于样件11内部；加工过程通过照明光源12对样件11进行照明，经聚焦物镜9、分束镜7反射到相机15，由相机15进行采集图像，并传输到工控机16；
步骤二：通过衰减装置将激光功率调节至可实现双光子聚合功率范围，再通过z向运动轴8将激光焦点定位到涂有光刻胶的基底表面，通过对工控机16中的控制器编制程序，向两个扫描振镜4中的两个执行电机输入位移信号，驱动扫描振镜4内部两个反射镜进行偏摆，进而控制激光束的焦点聚焦在样件11的材料内部，以速度vs做循环往复的圆形运动，通过控制器编制程序令激光束的焦点的位移轨迹满足式(1)：
其中，xs、ys分别为在扫描振镜4偏摆作用下激光束的焦点在x向、y向的位移；vs为激光束的焦点在样件11的材料内部的扫描速度，R为激光束的焦点做圆形轨迹的半径；t为扫描时间；
通过对式(1)关于时间t求导，则可求得激光束的焦点在扫描振镜4驱动下在x向与y向的扫描速度分量如式(2)：
其中，vsx、vsy分别为扫描振镜4驱动激光束的焦点沿x向、y向的速度；
激光焦点相对于样件的运动轨迹可由激光焦点的运动轨迹和样件11的运动轨迹合成求得；则此时激光焦点相对于样件11的位移轨迹可以由式(1)与样件11的直线运动轨迹如式(3)相加求得：
其中，vLx为在x向运动轴13作用下样件11的位移速度；xp,yp分别为激光焦点在扫描振镜4和x向运动轴13的联动控制下相对于样件11的x向、y向的位移；
通过对式(3)求导，可以得到激光焦点相对于样件11的运动速度vp在x向与y向的速度分量，如式(4)所示；
激光焦点相对于样件11的合速度可由式(4)求得，如式(5)所示；
根据式(5)，激光焦点相对于样件11的最小速度，即当
时，可求得如式(6)所示；
vpmin＝|vLx-vs| (6)
根据式(5)，也可求得激光焦点相对于样件11的最大速度vpmax，即当
时，如式(7)所示；
为使每个振镜扫描周期内均存在低于聚合速度阈值vth的扫描速度，发生聚合反应，形成聚合结构，应令
vpmax＞vth＞vpmin≥0 (8)
其中，vLx和vth均为已知量，根据式(6)与式(8)，可求得vs的取值范围；
相邻周期的曝光间隔距离d由三维运动平台的x向运动轴和y向运动轴的合速度vL与扫描振镜4的循环周期决定，因此相邻周期的曝光间隔距离d可由式(9)求得，根据公式(9)可求得激光束的焦点做圆形轨迹的半径R；
R＝dvs/2πvL (9)
通过采用上述求得的扫描振镜驱动激光焦点的速度vs和圆形运动轨迹的半径R，能够实现振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光。
优选地，步骤二中所述的可稳定实现双光子聚合功率范围为0mW-60mW，当扫描振镜4开始驱动激光束的焦点做圆形循环扫描以后，将激光功率调节至60mW以上。
本发明的另一目的在于提供一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光系统，包括激光器1、激光束2、光学镜组3、扫描振镜4、反射镜5、4F系统6、分束镜7、z向运动轴8、聚焦物镜9、支架10、样件11、照明光源12、x向运动轴13、y向运动轴14、相机15及工控机16；所述激光束2由激光器1发出，经光学镜组3衰减、扩束，被反射镜5反射射入扫描振镜4中，在依次通过4F系统6、分束镜7、聚焦物镜9后，聚焦于样件11内部；样件11，放置于支架10之上，照明光源12放置于样件11之下，支架10和照明光源12通过螺钉固定于x向运动轴13的运动台之上，x向运动轴13固定于y向运动轴14的运动台上；通过工控机16输出信号，控制x向运动轴13和y向运动轴14的运动台带动样件11分别沿x向和y向运动，扫描振镜4、反射镜5、4F系统6、分束镜7、聚焦物镜9以及相机15通过螺钉安装到z向运动轴8的运动台上，通过工控机16输出信号控制z向运动轴8驱动激光光束沿z向移动；加工过程通过照明光源12对样件11进行照明，经聚焦物镜9分束镜7反射到相机，由相机15进行采集图像，并传输到工控机16。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
利用本发明的一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法，可以使用较高的激光功率与加工速度对光敏材料进行双光子聚合加工，可以避免高功率曝光下的过曝光问题，可以解决传统双光子聚合技术加工效率低的问题，从而更好地满足双光子聚合加工的高效大批量制造。
本发明在超快激光双光子聚合加工中组成简单，易于实施，可以在高激光功率的情况下进行高效曝光。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是所述振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法的系统图；
图2是所述振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法的示意图，所述方法由扫描振镜驱动激光焦点做圆形运动与运动轴驱动样件的平面运动两个运动合成而得到激光焦点相对于样件的运动轨迹；
图3是激光焦点运动仿真图(当vL＝300μm/s，vs＝471μm/s，R＝0.5μm时)。(a)激光焦点在x方向的绝对位移xs随时间t的变化曲线；(b)扫描振镜驱动激光焦点在x方向的速度分量vsx随时间t的变化曲线；(c)激光焦点相对于样件在y向位移yp相对于x向位移xp的变化曲线；(d)x向位移xL相对于时间t的变化曲线；(e)激光焦点相对于样件的扫描速度vpx关于时间t的曲线；(f)激光相对于样件的x向位移xp关于时间t的曲线。
图中：激光器1、激光束2、光学镜组3、扫描振镜4、反射镜5、4F系统6、分束镜7、z向运动轴8、聚焦物镜9、支架10、样件11、照明光源12、x向运动轴13、y向运动轴14、相机15、工控机16。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法，具体包括如下步骤：
步骤一：将涂覆有光刻胶的基底作为样件11，放置于支架10之上，照明光源12放置于样件11之下，支架10和照明光源12通过螺钉固定于x向运动轴13的运动台之上，x向运动轴13固定于y向运动轴14的运动台上；通过工控机16输出信号，控制x向运动轴13和y向运动轴14的运动台带动样件11分别沿x向和y向运动，两个扫描振镜4、反射镜5、4F系统6、分束镜7、聚焦物镜9以及相机15均通过螺钉安装到z向运动轴8的运动台上，通过工控机16输出信号控制z向运动轴8驱动激光光束沿z向移动；所述激光束2由激光器1发出，经光学镜组3衰减、扩束，被反射镜5反射射入扫描振镜4中，在依次通过4F系统6、分束镜7、聚焦物镜9后，聚焦于样件11内部；加工过程通过照明光源12对样件11进行照明，经聚焦物镜9、分束镜7反射到相机15，由相机15进行采集图像，并传输到工控机16；
步骤二：通过衰减装置将激光功率调节至可实现双光子聚合功率范围，再通过z向运动轴8将激光焦点定位到涂有光刻胶的基底表面，通过对工控机16中的控制器编制程序，向两个扫描振镜4中的两个执行电机输入位移信号，驱动扫描振镜4内部两个反射镜进行偏摆，进而控制激光束的焦点聚焦在样件11的材料内部，以速度vs做循环往复的圆形运动，通过控制器编制程序令激光束的焦点的位移轨迹满足式(10)：
其中，xs、ys分别为在扫描振镜4偏摆作用下激光束的焦点在x向、y向的位移；vs为激光束的焦点在样件11的材料内部的扫描速度，R为激光束的焦点做圆形轨迹的半径；
通过对式(10)关于时间t求导，则可求得激光束的焦点在扫描振镜4驱动下在x向与y向的扫描速度分量如式(11)：
其中，vsx、vsy分别为扫描振镜4驱动激光束的焦点沿x向、y向的速度；
为避免在高激光功率下发生聚合反应，应使激光焦点在扫描振镜4驱动下的扫描速度vs大于聚合速度阈值vth；
当扫描振镜4开始驱动激光束的焦点做圆形循环扫描以后，将激光功率调节至高功率(采用100倍油浸物镜时，一般为60mW以上)；此时，由于扫描振镜4驱动激光束的焦点不断运动，避免了激光束的焦点在材料内部的短时停留而引起的过曝光。
x向运动轴13、y向运动轴14和z向运动轴8主要用于实现激光焦点相对于样件11的三维增材制造。通过工控机16输出信号控制x向运动轴13、y向运动轴14驱动运动台上的样件11在xy平面内做平面运动，以实现激光焦点在样件11内部xy平面的扫描。通过工控机16输出信号控制z向运动轴8驱动运动台上的聚焦物镜9运动，以实现激光焦点在样件11内部z向叠加制造。
因此，驱动激光焦点相对于样件11运动的定位装置可分为两个部分，一个是扫描振镜4，另一个则是由x向运动轴13、y向运动轴14和z向运动轴8组成的三维运动平台；由于扫描振镜4驱动激光焦点做圆形循环扫描运动，在相邻周期每个周期的对应时刻，激光焦点在扫描振镜4驱动下的位移为零。相邻周期的曝光间隔距离d主要由三维运动平台的x向运动轴和y向运动轴的合速度vL与扫描振镜4的循环周期决定，因此相邻周期的曝光间隔距离d可由式(12)求得，
R＝dvs/2πvL (12)
由于z向运动轴的运动仅实现聚合结构的z向叠加制造，并未直接参与实际双光子聚合成形，所以加工过程主要考虑单层平面双光子聚合加工的曝光情况，即xy向的双光子聚合加工。激光焦点和样件11分别由扫描振镜4和xy向运动平台驱动。因此，激光焦点相对于样件11的运动过程包括两个部分。一方面，激光焦点由扫描振镜4驱动做循环圆形运动。另一方面，样件由xy三维运动平台驱动在xy平面内做平面运动。因此，激光焦点相对于样件的运动轨迹可由激光焦点的运动轨迹和样件11的运动轨迹合成求得。为简化计算，此处将样件11将y向运动略去，仅在x轴运动台13的作用下沿x向运动为例，y向同理。
则此时激光焦点相对于样件11的位移轨迹可以由式(10)与样件11的直线运动轨迹如式(13)相加求得：
其中，vLx为在x向运动轴13作用下样件11的位移速度；xp,yp分别为激光焦点在扫描振镜4和x向运动轴13的联动控制下相对于样件11的x向、y向的位移；
由于本发明旨在提升双光子聚合加工的效率，xy平面扫描速度vL应大于稳定聚合速度阈值vth。
通过对式(13)求导，可以得到激光焦点相对于样件11的运动速度vp在x向与y向的速度分量，如式(14)所示。
激光焦点相对于样件11的合速度可由式(14)求得，如式(15)所示；
根据式(15)，激光焦点相对于样件11的最小速度，即
时，可求得如式(16)所示；
vpmin＝|vLx-vs| (16)
在设定参数时，应令激光焦点相对于样件11的最小速度vpmin小于聚合速度阈值，完成双光子聚合反应；
根据式(15)，也可求得激光焦点相对于样件11的最大速度vpmax，即
时，如式(17)所示；
为使每个振镜扫描周期内均存在低于聚合速度阈值的扫描速度，发生聚合反应，形成聚合结构，应令，
vpmax＞vth＞vpmin≥0 (18)
由于vLx和vth均为已知量，根据式(16)与式(18)，vs的取值范围即可确定。
由于d为已知量，根据式3可求得扫描振镜驱动激光焦点作圆形轨迹运动的半径R。
多个连续周期形成连续聚合结构，实现双光子聚合的连续加工。所述方法中，扫描振镜驱动激光焦点的运动速度vs以及xy向运动轴驱动样件11的运动速度vL均大于聚合阈值速度，但在两者的联合作用下，激光焦点相对于样件11的速度vp存在低于聚合阈值速度的时刻，是所述方法实现双光子聚合的关键。
实施例2
一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法，具体包括如下步骤：
步骤一，在玻璃基底涂覆Ormocer光刻胶作为样件11，且支架10留有通孔。将样件11涂有光刻胶的一侧朝下，放置于支架10之上。将黄色照明光源12放置于样件11之下。支架10和照明光源12通过螺钉固定于x向运动轴13的运动台之上。x向运动轴13固定于y向运动轴14的运动台上。扫描振镜4、反射镜5、4F系统6、分束镜7、聚焦物镜9以及CCD相机15通过螺钉安装到z向运动轴8的运动台上。调节各部件的角度与位置，使激光束能顺利通过。激光束2采用800nm近红外激光，由激光器1发出，经衰减器和扩束镜的衰减和扩束，被反射镜5反射射入扫描振镜4中，在依次通过4F系统6、分束镜7、聚焦物镜9。聚焦物镜采用100倍油浸物镜。浸油折射率为1.518。加工过程通过黄色照明光源12对样件11进行照明，经聚焦物镜9分束镜7反射到CCD相机15，由相机15进行采集图像，并传输到工控机16。所述方法的系统图如附图1所示。
步骤二，本实施例以x向运动轴运动为例，y向运动轴运动同理可得。在100mW激光功率下，分别以100μm/s到300μm/s的扫描速度，对纳米线或木堆结构进行加工；纳米线或木堆结构稳定成型的最大扫描速度，即为激光功率100mW时的聚合阈值速度vth。在本实施例中，聚合阈值速度vth＝180μm/s。设定利用双光子聚合加工微纳结构的x向期望加工速度为300μm/s，即vLx＝300μm/s。为使每个周期形成的聚合结构相连，设置体元间隔d＝2μm。
为使样件在激光扫描下发生双光子聚合，vpmin应满足式(18)，此实施例中，先取vpmin＝-100μm/s。根据式(16)，则vs＝400μm/s。根据式(12)，半径R＝0.425μm。由于R为小数，不便于控制程序的编写，对参数vs和R进行调整。令R＝0.5μm，则vs＝471μm/s，vpmin＝-171μm/s。此时，扫描振镜驱动激光焦点作圆形轨迹的半径R与扫描速度vs，均已确定。
通过衰减器将激光功率调至常规加工功率30mW。通过工控机16输出信号控制z向运动轴8驱动聚焦物镜沿z向缓慢移动，使聚焦的激光焦点逐渐向光刻胶下移，直至激光焦点透过玻璃基底，进入光刻胶，在基底表面诱发双光子聚合。通过工控机16控制扫描振镜4内部两个反射镜转动，使激光焦点在光刻胶内部以速度vs＝471μm/s，半径R＝0.5μm做圆形轨迹运动。通过衰减器将激光功率调至较高的激光功率100mW。激光焦点在扫描振镜驱动下的位移xs关于t的轨迹如附图3(a)所示，满足公式，
激光焦点在扫描振镜4驱动下的速度vsx关于t的轨迹如附图3(b)所示，满足公式，
此时，最大x向速度分量vsxmax＝471μm/s。将激光功率调至较高功率100mW，同时令x向运动轴13驱动样件11以vLx＝300μm/s沿x向运动。样件在x向运动轴13的驱动下，xL随时间t的运动曲线如附图3(d)所示，满足公式，
xL＝vLt (21)
由于激光焦点在扫描振镜4的驱动在运动，同时样件11在x向运动轴13的驱动下运动，那么激光焦点相对于样件11在xy平面的扫描轨迹yp随xp的变化如图3(c)所示，满足公式，
扫描振镜4驱动下的激光焦点相对于样件11在x方向的位移xp由扫描振镜4驱动下的激光焦点的位移与x向运动轴13驱动样件11的位移加成可求得，两者轨迹加成示意图如附图2所示，xp随时间t的变化如附图3(f)所示，满足公式，
激光焦点相对于扫描振镜4的速度vpx由两者加成可求得，如附图3(e)所示，满足公式，
vpx在-171μm/s～771μm/s范围之间。由于聚合阈值速度vth＝180μm/s，那么当|vpx|＜180μm/s时，则形成双光子聚合结构。此处，vpx在以-171μm/s～180μm/s的速度运动时，发生双光子聚合反应，形成聚合结构。如附图3(f)所示，位移xp相对于时间t，在每个周期均存在位移变化缓慢的区域。在每个振镜扫描的周期内，均存在符合聚合条件的速度。多个连续周期聚合可形成的连续聚合结构。
实施例3
如图2所示，本实施例提供了一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光系统，包括780nm～800nm波长激光器1、激光束2、光学镜组3、扫描振镜4、反射镜5、4F系统6、分束镜7、z向运动轴8、聚焦物镜9、支架10、样件11、577～597nm黄色照明光源12、x向运动轴13、y向运动轴14、CCD相机15及工控机16；所述激光束2由激光器1发出，经光学镜组3衰减、扩束，被反射镜5反射射入扫描振镜4中，在依次通过4F系统6、分束镜7、聚焦物镜9后，聚焦于样件11内部；样件11，放置于支架10之上，照明光源12放置于样件11之下，支架10和照明光源12通过螺钉固定于x向运动轴13的运动台之上，x向运动轴13固定于y向运动轴14的运动台上；通过工控机16输出信号，控制x向运动轴13和y向运动轴14的运动台带动样件11分别沿x向和y向运动，扫描振镜4、反射镜5、4F系统6、分束镜7、聚焦物镜9以及相机15通过螺钉安装到z向运动轴8的运动台上，通过工控机16输出信号控制z向运动轴8驱动激光光束沿z向移动；加工过程通过照明光源12对样件11进行照明，经聚焦物镜9分束镜7反射到相机，由相机15进行采集图像，并传输到工控机16。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (3)
1.一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：将涂覆有光刻胶的基底作为样件(11)，放置于支架(10)之上，照明光源(12)放置于样件(11)之下，支架(10)和照明光源(12)通过螺钉固定于x向运动轴(13)的运动台之上，x向运动轴(13)固定于y向运动轴(14)的运动台上；通过工控机(16)输出信号，控制x向运动轴(13)和y向运动轴(14)的运动台带动样件(11)分别沿x向和y向运动，两个扫描振镜(4)、反射镜(5)、4F系统(6)、分束镜(7)、聚焦物镜(9)以及相机(15)均通过螺钉安装到z向运动轴(8)的运动台上，通过工控机(16)输出信号控制z向运动轴(8)驱动激光光束沿z向移动；所述激光束(2)由激光器(1)发出，经光学镜组(3)衰减、扩束，被反射镜(5)反射射入扫描振镜(4)中，在依次通过4F系统(6)、分束镜(7)、聚焦物镜(9)后，聚焦于样件(11)内部；加工过程通过照明光源(12)对样件(11)进行照明，经聚焦物镜(9)、分束镜(7)反射到相机(15)，由相机(15)进行采集图像，并传输到工控机(16)；
步骤二：通过衰减装置将激光功率调节至可实现双光子聚合稳定加工的功率范围，再通过z向运动轴(8)将激光焦点定位到涂有光刻胶的基底表面，通过对工控机(16)中的控制器编制程序，向两个扫描振镜(4)中的两个执行电机输入位移信号，驱动扫描振镜(4)内部两个反射镜进行偏摆，进而控制激光束的焦点聚焦在样件(11)的材料内部，以速度vs做循环往复的圆形运动，通过控制器编制程序令激光束的焦点的位移轨迹满足式(1)：
其中，xs、ys分别为在扫描振镜(4)偏摆作用下激光束的焦点在x向、y向的位移；vs为激光束的焦点在样件(11)的材料内部的扫描速度，R为激光束的焦点做圆形轨迹的半径；t为扫描时间；
通过对式(1)关于时间t求导，则可求得激光束的焦点在扫描振镜(4)驱动下在x向与y向的扫描速度分量如式(2)：
其中，vsx、vsy分别为扫描振镜(4)驱动激光束的焦点沿x向、y向的速度；
激光焦点相对于样件的运动轨迹可由激光焦点的运动轨迹和样件(11)的运动轨迹合成求得；则此时激光焦点相对于样件(11)的位移轨迹可以由式(1)与样件(11)的直线运动轨迹如式(3)相加求得：
其中，vLx为在x向运动轴(13)作用下样件(11)的位移速度；xp,yp分别为激光焦点在扫描振镜(4)和x向运动轴(13)的联动控制下相对于样件(11)的x向、y向的位移；
通过对式(3)求导，可以得到激光焦点相对于样件(11)的运动速度vp在x向与y向的速度分量，如式(4)所示；
激光焦点相对于样件11的合速度可由式(4)求得，如式(5)所示；
根据式(5)，激光焦点相对于样件(11)的最小速度，即当
时，可求得如式(6)所示；
vpmin＝|vLx-vs| (6)
根据式(5)，也可求得激光焦点相对于样件(11)的最大速度vpmax，即当
时，如式(7)所示；
为使每个振镜扫描周期内均存在低于聚合速度阈值vth的扫描速度，发生聚合反应，形成聚合结构，应令
vpmax＞vth＞vpmin≥0 (8)
其中，vLx和vth均为已知量，根据式(6)与式(8)，可求得vs的取值范围；
相邻周期的曝光间隔距离d由三维运动平台的x向运动轴和y向运动轴的合速度vL与扫描振镜(4)的循环周期决定，因此相邻周期的曝光间隔距离d可由式(9)求得，根据公式(9)可求得激光束的焦点做圆形轨迹的半径R；
R＝dvs/2πvL (9)
通过采用上述求得的扫描振镜驱动激光焦点的速度vs和圆形运动轨迹的半径R，能够实现振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光。
2.如权利要求1所述的一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法，其特征在于，步骤二中所述的可稳定实现双光子聚合功率范围为0mW-60mW，当扫描振镜(4)开始驱动激光束的焦点做圆形循环扫描以后，将激光功率调节至60mW以上。
3.一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光系统，其特征在于，包括激光器(1)、激光束(2)、光学镜组(3)、扫描振镜(4)、反射镜(5)、4F系统(6)、分束镜(7)、z向运动轴(8)、聚焦物镜(9)、支架(10)、样件(11)、照明光源(12)、x向运动轴(13)、y向运动轴(14)、相机(15)及工控机(16)；所述激光束(2)由激光器(1)发出，经光学镜组(3)衰减、扩束，被反射镜(5)反射射入扫描振镜(4)中，在依次通过4F系统(6)、分束镜(7)、聚焦物镜(9)后，聚焦于样件(11)内部；样件(11)，放置于支架(10)之上，照明光源(12)放置于样件(11)之下，支架(10)和照明光源(12)通过螺钉固定于x向运动轴(13)的运动台之上，x向运动轴(13)固定于y向运动轴(14)的运动台上；通过工控机(16)输出信号，控制x向运动轴(13)和y向运动轴(14)的运动台带动样件(11)分别沿x向和y向运动，扫描振镜(4)、反射镜(5)、4F系统(6)、分束镜(7)、聚焦物镜(9)以及相机(15)通过螺钉安装到z向运动轴(8)的运动台上，通过工控机(16)输出信号控制z向运动轴(8)驱动激光光束沿z向移动；加工过程通过照明光源(12)对样件(11)进行照明，经聚焦物镜(9)分束镜(7)反射到相机，由相机(15)进行采集图像，并传输到工控机(16)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111230626.8A CN113909677B (zh) | 2021-10-22 | 2021-10-22 | 一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111230626.8A CN113909677B (zh) | 2021-10-22 | 2021-10-22 | 一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113909677A true CN113909677A (zh) | 2022-01-11 |
| CN113909677B CN113909677B (zh) | 2023-10-31 |
Family
ID=79242258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111230626.8A Active CN113909677B (zh) | 2021-10-22 | 2021-10-22 | 一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113909677B (zh) |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1635395A (zh) * | 2003-12-31 | 2005-07-06 | 中国科学技术大学 | 用于三维微细加工或高密信息存储的双光子/共焦光学加工装置及其方法 |
| HU0800433D0 (en) * | 2008-07-15 | 2008-09-29 | Femtonics Kft | Laser scanning microscope for scanning along a 3d trajectory |
| WO2009108543A2 (en) * | 2008-02-26 | 2009-09-03 | 3M Innovative Properties Company | Multi-photon exposure system |
| KR20130100490A (ko) * | 2012-03-02 | 2013-09-11 | 마이크로 인스펙션 주식회사 | 레이저 다이렉트 이미징 노광장치 |
| CN104028890A (zh) * | 2014-06-11 | 2014-09-10 | 吉林大学 | 一种大行程柱坐标双光子聚合加工方法及装置 |
| CN105751511A (zh) * | 2016-04-20 | 2016-07-13 | 清华大学深圳研究生院 | 双光子聚合3d打印机及打印方法 |
| CN107096997A (zh) * | 2017-05-10 | 2017-08-29 | 华中科技大学 | 一种基于连续激光的三维微结构刻写系统及方法 |
| CN111168237A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-05-19 | 吉林大学 | 一种制备任意截面聚合物波导的方法 |
| CN112859538A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-05-28 | 华中科技大学 | 一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统 |
| CN113146031A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-23 | 武汉理工大学 | 一种基于动态视场拼接的扫描显微超快激光加工系统 |
-
2021
- 2021-10-22 CN CN202111230626.8A patent/CN113909677B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1635395A (zh) * | 2003-12-31 | 2005-07-06 | 中国科学技术大学 | 用于三维微细加工或高密信息存储的双光子/共焦光学加工装置及其方法 |
| WO2009108543A2 (en) * | 2008-02-26 | 2009-09-03 | 3M Innovative Properties Company | Multi-photon exposure system |
| HU0800433D0 (en) * | 2008-07-15 | 2008-09-29 | Femtonics Kft | Laser scanning microscope for scanning along a 3d trajectory |
| KR20130100490A (ko) * | 2012-03-02 | 2013-09-11 | 마이크로 인스펙션 주식회사 | 레이저 다이렉트 이미징 노광장치 |
| CN104028890A (zh) * | 2014-06-11 | 2014-09-10 | 吉林大学 | 一种大行程柱坐标双光子聚合加工方法及装置 |
| CN105751511A (zh) * | 2016-04-20 | 2016-07-13 | 清华大学深圳研究生院 | 双光子聚合3d打印机及打印方法 |
| CN107096997A (zh) * | 2017-05-10 | 2017-08-29 | 华中科技大学 | 一种基于连续激光的三维微结构刻写系统及方法 |
| CN111168237A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-05-19 | 吉林大学 | 一种制备任意截面聚合物波导的方法 |
| CN112859538A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-05-28 | 华中科技大学 | 一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统 |
| CN113146031A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-23 | 武汉理工大学 | 一种基于动态视场拼接的扫描显微超快激光加工系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘墨南;李木天;孙洪波;: "3D飞秒激光纳米打印", 激光与光电子学进展, no. 01 * |
| 郑旭;左春柽;周晓勤;: "双光子聚合加工的光路模拟", 激光技术, no. 03 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113909677B (zh) | 2023-10-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105081586B (zh) | 一种激光加工方法和装置 | |
| CN201783759U (zh) | 光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统 | |
| CN107695528B (zh) | 一种利用飞秒激光调控制备大面积不同微纳米结构的方法 | |
| CN101913024A (zh) | 光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统及方法 | |
| CN105798454B (zh) | 一种利用纳秒激光诱导裂纹制备微纳米复合结构的方法 | |
| CN102566391B (zh) | 基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置 | |
| CN101055332A (zh) | 在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法 | |
| CN101028670A (zh) | 超短脉冲激光微加工制作光纤f－p传感器的方法及设备 | |
| CN104029394A (zh) | 一种提高激光扫描成像光固化快速成型效率的方法 | |
| CN102601529A (zh) | 一种提高飞秒激光制备微通道加工效率的方法 | |
| CN113649595B (zh) | 用于金属slm打印的环形光斑光学系统及打印方法 | |
| CN101537711B (zh) | 一种能量跟随点扫描光固化快速成型方法 | |
| CN107357034B (zh) | 一种激光干涉图案化光场作为光源的光诱导介电泳装置 | |
| CN105259161A (zh) | 一种智能控制的激光等离子体测量装置及测量方法 | |
| CN109277692A (zh) | 聚二甲基硅氧烷表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法 | |
| CN208019619U (zh) | 一种面向lsp应用的高能量光束xy轴导光装置 | |
| CN113909677B (zh) | 一种振镜辅助循环扫描的双光子聚合高功率曝光方法及系统 | |
| CN102248284B (zh) | 光栅高速直写装置 | |
| CN101870036A (zh) | 飞秒激光快速加工装置 | |
| CN110421265B (zh) | 一种利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的方法和装置 | |
| CN1830752A (zh) | 一种用于金属微粒的激光光镊微细操控方法及装置 | |
| CN113020820B (zh) | 一种分段式回转扫描微孔阵列加工方法 | |
| CN105562925A (zh) | 一种co2激光切割设备及其光路传输方法 | |
| CN111843246B (zh) | 一种基于离焦控制技术的激光纵向钻孔方法 | |
| CN104625437A (zh) | 一种用于激光钻切异形孔精密加工的扫描机构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |