CN113985707A - 一种可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置及方法，该装置包括飞秒激光光源、二分之一波片、偏振分光棱镜、脉冲展宽器、能量调制器、相位板、直角棱镜、反射镜等部件。本发明将飞秒光源出射的飞秒光束分成两束光，对其中一束进行脉冲展宽与光强分布的调制，然后将两束光合束后入射到刻写系统，实现同波长的基于边缘光抑制的激光刻写。利用本发明的装置可以得到一束强度分布为高斯的飞秒光束和一束可调脉冲宽度、可调光强分布的光束，并且可以通过调控光程来精细调控分束后的两个光束达到刻写样品上的时间，精度可达皮秒量级，可用于高精度激光直写光刻系统。

Description

一种可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置及方法
技术领域
本发明属于超精密刻写领域，尤其涉及一种可控脉冲展宽与延时的激光直写装置及方法。
背景技术
目前，以光刻为代表的技术是进行微纳加工的主要方法，而早期的平面光刻方法多数应用于平面二维结构的制作，难以满足未来三维、复杂、大面积、高精度等加工需求，而在这个方面激光直写打印技术具有极佳的潜力。
双光子激光直写技术是激光直写打印技术中的一种，凭借其高分辨加工能力、低热影响性能、加工材料广泛、环境要求低、具有真三维加工能力等特点，一直是三维微纳加工技术中的研究热点。然而，双光子激光直写技术主要面临直写精度低、直写效率低与难以特异性调控三个方面的难题。目前，市场上最为成熟的双光子直写设备——德国NanoScribe公司的Photonic Professional GT系列快速高分辨系统能够达到约160nm的刻写精度与10mm/s的刻写速度。精度不足影响了该技术在芯片、纳米制造等领域的重要运用，耗时长则不仅大幅降低了刻写效率，而且在加工过程中带来的不确定因素也大幅增加，严重影响了该技术在实际应用中的推广。
为了打破衍射极限，提升刻写精度，科研人员将1994年德国物理学家Hell所提出的受激发射损耗(STED)技术从超分辨成像领域借鉴到超分辨光刻领域，提出边缘光抑制技术。该技术类似于STED，同样利用两个光束，其中一束称为激发光，脉冲宽度为飞秒，用于刻写结构；另一束称为抑制光，脉冲宽度大于皮秒，用于抑制边缘的聚合过程，通过两个光束的共同作用，从而实现刻写精度的提升。随着研究的深入，科研人员发现抑制聚合过程的效果与两个光束达到刻写材料的时间差有关，德国科学家Fischer和Wegener设计了一种类似泵浦探测的实验，发现抑制聚合过程中存在“快效应”与“慢效应”。“快效应”指的是当激发光比抑制光先到达样品时，所测得的材料抑制阈值出现了显著的提升，“慢效应”指的是在激发光到达时，抑制光已经消失，但还是能观察到抑制现象。
从边缘光抑制技术的机理出发，抑制阈值的显著提升将有助于该技术中刻写精度的进一步提升。如何设计一套可控延时的光刻系统从而对两个光束到达样品的时间差进行精准的控制，是对抑制聚合效应进一步理解的关键，也是边缘光抑制技术中刻写精度进一步提升的核心。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置，该装置包括：
飞秒激光源；
依次设置在所述飞秒激光源出射光束上的第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜；所述第一偏振分光棱镜将出射光束分光为调制光束和非调制光束；
依次排列在调制光束上的第一反射镜、脉冲展宽器、第一光束能量调制器、相位板、第二二分之一波片；
依次排列在非调制光束上的第二反射镜、第一直角棱镜、第二光束能量调制器、第三二分之一波片；且所述第一直角棱镜固定在位移台上，可沿着平行于水平面的两个轴进行移动，对所述非调制光束的光程进行调整；
第二偏振分光棱镜，用于对所述调制光束和非调制光束进行合束；
依次排列在合束后的光路上的第一振镜、第二振镜、扫描透镜和显微镜；所述显微镜包括场镜、第三反射镜、显微物镜、显微镜架。
进一步地，所述光脉冲展宽器为光纤、光栅、棱镜或玻璃棒。
进一步地，所述相位板为螺旋相位板或/π相位板。
进一步地，所述第一光束能量调制器和第二光束能量调制器为声光调制器或电光调制器。
一种基于超分辨激光直写装置的激光直写方法，该方法包括如下步骤：
所述飞秒激光源出射光束，出射光束依次经过第一二分之一波片和第一偏振分光棱镜后分光为调制光束和非调制光束，且调制光束和非调制光束能量比通过第一二分之一波片和第一偏振分光棱镜可调节；
所述调制光束经过所述脉冲展宽器展开至皮秒以上，并经第一光束能量调制器调整能量后，再经过相位板，对调制光束进行相位调制，并经第二二分之一波片后进入第二偏振分光棱镜进行合束；
所述非调制光束依次经过第二反射镜、第一直角棱镜反射，并经第二光束能量调制器调整能量，经第三二分之一波片后进入第二偏振分光棱镜进行合束；根据所述的脉冲展宽器计算调制光束从第一偏振分光棱镜后分光到第二偏振分光棱镜处光程的具体数值；然后沿光传播的方向调节位移台，对所述非调制光束的光程进行调整，使调制光束与非调制光束从所述第一偏振分光棱镜到所述第二偏振分光棱镜的光程相等；
调节第二二分之一波片，使调制光束在通过第二偏振分光棱镜后所有光束能量能够反射；调节第三二分之一波片的光轴方向，使非调制光束在通过第二偏振分光棱镜后所有光束能量能够透射，并且保证透射后的调制光束和非调制光束在通过第二偏振分光棱镜后的光束中心重合；
合束光束依次经过第一振镜、第二振镜对光束偏转后进入扫描透镜进行聚焦，然后进入显微镜，依次通过场镜、第三反射镜、显微物镜，照射在样品上；其中，非调制光束形成强度分布为高斯型、脉宽为飞秒的光束，作为边缘光抑制技术的激发光，调制光束形成脉宽为皮秒及以上的光束，作为边缘光抑制技术的抑制光，进行激光直写。
进一步地，在进行激光直写前，先根据激光直写材料对调制光束和非调制光束所需要的光程差值调节所述位移台，使得两个光束到达样品的时间差满足设定的数值后，再进行激光直写。
本发明的有益效果是：
本发明针对目前边缘光抑制技术中激发光与抑制光达到时间差的高精度调控与抑制光最优脉宽选择难题，通过设计可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写系统，为研究进一步提供基础，也为边缘光抑制技术中刻写精度进一步提升提供支撑。利用本发明的装置及方法可以得到一束强度分布为高斯的飞秒光束和另一束可调脉冲宽度、可调光强分布的光束，并且可以通过调控光程来精细调控分束后的两个光束达到刻写样品上的时间，精度可达皮秒量级，可用于高精度激光直写光刻系统。
附图说明
图1是本发明一种可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置示意图；
图2是本发明调制光束强度分布调节示意图；
图3是本发明调制光束的脉冲宽度、相对非调制光束的时间延迟调控的示意图；
图4是本发明不同抑制光功率下，样品激发阈值随两个光束达到样品上时间差的关系图；
图5是本发明采用波长为532nm的实际光刻效果图；
图中，1-飞秒激光源、2-第一二分之一波片、3-第一偏振分光棱镜、4-第一反射镜、5-脉冲展宽器、6-第一光束能量调制器、7-相位板、8-第二二分之一波片、9-第二反射镜、10-第一直角棱镜、11-位移台、12-第二光束能量调制器、13-第三二分之一波片、14-第二偏振分光棱镜、15-第一振镜、16-第二振镜、17-扫描透镜、18-场镜、19-第三反射镜、20-显微物镜、21-显微镜架。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置，如图1所示，包括飞秒激光源1、第一二分之一波片2、第一偏振分光棱镜3、第一反射镜4、脉冲展宽器5、第一光束能量调制器6、相位板7、第二二分之一波片8、第二反射镜9、第一直角棱镜10、位移台11、第二光束能量调制器12、第三二分之一波片13、第二偏振分光棱镜14、第一振镜15、第二振镜16、扫描透镜17，以及显微镜，该显微镜包括场镜18、第三反射镜19、显微物镜20、显微镜架21。
飞秒激光源1用于出射光束，第一二分之一波片2、第一偏振分光棱镜3依次设置在飞秒激光源1出射光束上，第一二分之一波片2用于调节出射光束的偏振态，第一偏振分光棱镜3用于将出射光束分光为调制光束和非调制光束，且通过调节第一二分之一波片2光轴方向和第一偏振分光棱镜3，可调节调制光束和非调制光束能量比。
第一反射镜4、脉冲展宽器5、第一光束能量调制器6、相位板7、第二二分之一波片8依次排列在调制光束上，经过第一反射镜4反射后的调制光束由脉冲展宽器5展开至皮秒以上，并经第一光束能量调制器6调整能量后，经过相位板7，对调制光束进行相位调制，最后经第二二分之一波片8后进入第二偏振分光棱镜14进行合束。
第二反射镜9、第一直角棱镜10、第二光束能量调制器12、第三二分之一波片13依次排列在非调制光束上，且第一直角棱镜10固定在位移台11上。第二光束能量调制器12用于调整非调制光束的能量。位移台11可沿着平行于水平面的两个轴(其中x方向为光传播的方向)进行移动，对非调制光束的光程进行调整。如图3中所示。对于不同的激光直写的材料，非调制光束和调制光束到达第二偏振分光棱镜14的光程差也不同，根据实际需要进行调整。
第二偏振分光棱镜14用于对调制光束和非调制光束进行合束，第一振镜15、第二振镜16、扫描透镜17依次位于合束后光路上，合束光束经过第一振镜15、第二振镜16、扫描透镜17后，进入显微镜中的场镜18、第三反射镜19、显微物镜20，从而照射在样品上。
其中，光脉冲展宽器4可以选取光纤束、光栅、棱镜或玻璃棒中的任意一种。
相位板7优选为螺旋相位板或0/π相位板。
第一光束能量调制器6和第二光束能量调制器12优选为声光调制器或电光调制器。第一光束能量调制器6和第二光束能量调制器12既可以对调制光束和非调制光束进行开关控制，也可以对调制光束和非调制光束的能量进行调整。
本发明的基于超分辨激光直写装置的激光直写方法，具体包括如下步骤：
根据脉冲展宽器5计算调制光束从第一偏振分光棱镜3后分光到第二偏振分光棱镜14处光程的具体数值；然后沿光传播的方向调节位移台11，对非调制光束的光程进行调整，使调制光束与非调制光束从第一偏振分光棱镜3到第二偏振分光棱镜14的光程相等；
调节第二二分之一波片8，使调制光束在通过第二偏振分光棱镜14后所有光束能量能够反射；调节第三二分之一波片13的光轴方向，使非调制光束在通过第二偏振分光棱镜14后所有光束能量能够透射，并且保证透射后的调制光束和非调制光束在通过第二偏振分光棱镜14后的光束中心重合；
合束光束依次经过第一振镜15、第二振镜16对光束偏转后进入扫描透镜17进行聚焦，然后进入显微镜，依次通过场镜18、第三反射镜19、显微物镜20，照射在样品上；其中，非调制光束形成强度分布为高斯型、脉宽为飞秒的光束，作为边缘光抑制技术的激发光，调制光束形成脉宽为皮秒及以上的光束，作为边缘光抑制技术的抑制光，进行激光直写。
优选地，针对不同材料，在进行激光直写前，先根据激光直写材料对调制光束和非调制光束所需要的光程差值调节位移台11，使得两个光束到达样品的时间差满足设定的数值后，再进行激光直写。
下面用一个具体的实施例展示本发明的超分辨激光直写装置的激光直写效果。
该实例中飞秒激光源1选取波长为532nm、脉冲宽度为140fs的光源，通过调节第一二分之一波片2光轴方向，使调制光束和非调制光束的能量一致。如图3所示。第一光束能量调制器6选择声光调制器，相位板7为螺旋相位板，所以调制光束在通过相位板7成为涡旋光束，如图2所示。脉冲展宽器5选取30cm的玻璃棒对调制光束进行展宽，并将调制光束的脉冲宽度展宽至皮秒以上。采用7-diethylamino-3-thenoylcoumarin(DETC)作为激光直写胶，其在780飞秒激光作为激发光，532nm皮秒激光作为抑制光时，不同抑制光功率下，激发阈值随两个光束达到样品上时间差的关系如图4中所示。图中可以发现时间差在0.2ns左右时，激光抑制能量最高，激光直写效果最好，其对应的光程差约为6cm。
该实例中，调制光束作为抑制光束，非调制光束作为激发光束。因此，首先根据所选择的脉冲展宽器5计算调制光束从第一偏振分光棱镜3后分光到第二偏振分光棱镜14处光程的具体数值，随后沿着X方向调节位移台11，使非调制光束从第一偏振分光棱镜3后分光到第二偏振分光棱镜14处光程的具体数值比调制光束少6cm。从而形成一束波长为532nm、脉宽为飞秒的非调制光束，另一束波长为532nm、脉宽为皮秒，达到样品时间比调制光束慢约0.2ns的调制光束。合束光束入射到显微物镜20入瞳，在显微物镜20焦面上形成中心重合的两束光，其中一束为强度分布为高斯型、波长为532nm、脉宽为飞秒的非调制光束，作为边缘光抑制技术的激发光，另一束为涡旋分布、波长为532nm、脉宽为皮秒的非调制光束，作为边缘光抑制技术的抑制光。经过合束后刻写的结果如图5中所示。

Claims (6)

1.一种可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置，其特征在于，该装置包括：
飞秒激光源(1)；
依次设置在所述飞秒激光源(1)出射光束上的第一二分之一波片(2)、第一偏振分光棱镜(3)；所述第一偏振分光棱镜(3)将出射光束分光为调制光束和非调制光束；
依次排列在调制光束上的第一反射镜(4)、脉冲展宽器(5)、第一光束能量调制器(6)、相位板(7)、第二二分之一波片(8)；
依次排列在非调制光束上的第二反射镜(9)、第一直角棱镜(10)、第二光束能量调制器(12)、第三二分之一波片(13)；且所述第一直角棱镜(10)固定在位移台(11)上，可沿着平行于水平面的两个轴进行移动，对所述非调制光束的光程进行调整；
第二偏振分光棱镜(14)，用于对所述调制光束和非调制光束进行合束；
依次排列在合束后的光路上的第一振镜(15)、第二振镜(16)、扫描透镜(17)和显微镜；所述显微镜包括场镜(18)、第三反射镜(19)、显微物镜(20)、显微镜架(21)。
2.根据权利要求1所述的可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置，其特征在于，所述光脉冲展宽器(4)为光纤、光栅、棱镜或玻璃棒。
3.根据权利要求1所述的可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置，其特征在于，所述相位板(7)为螺旋相位板或0/π相位板。
4.根据权利要求1所述的可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置，其特征在于，所述第一光束能量调制器(6)和第二光束能量调制器(12)为声光调制器或电光调制器。
5.一种基于权利要求1所述的超分辨激光直写装置的激光直写方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
所述飞秒激光源(1)出射光束，出射光束依次经过第一二分之一波片(2)和第一偏振分光棱镜(3)后分光为调制光束和非调制光束，且调制光束和非调制光束能量比通过第一二分之一波片(2)和第一偏振分光棱镜(3)可调节；
所述调制光束经过所述脉冲展宽器(5)展开至皮秒以上，并经第一光束能量调制器(6)调整能量后，再经过相位板(7)，对调制光束进行相位调制，并经第二二分之一波片(8)后进入第二偏振分光棱镜(14)进行合束；
所述非调制光束依次经过第二反射镜(9)、第一直角棱镜(10)反射，并经第二光束能量调制器(12)调整能量，经第三二分之一波片(13)后进入第二偏振分光棱镜(14)进行合束；根据所述的脉冲展宽器(5)计算调制光束从第一偏振分光棱镜(3)后分光到第二偏振分光棱镜(14)处光程的具体数值；然后沿光传播的方向调节位移台(11)，对所述非调制光束的光程进行调整，使调制光束与非调制光束从所述第一偏振分光棱镜(3)到所述第二偏振分光棱镜(14)的光程相等；
调节第二二分之一波片(8)，使调制光束在通过第二偏振分光棱镜(14)后所有光束能量能够反射；调节第三二分之一波片(13)的光轴方向，使非调制光束在通过第二偏振分光棱镜(14)后所有光束能量能够透射，并且保证透射后的调制光束和非调制光束在通过第二偏振分光棱镜(14)后的光束中心重合；
合束光束依次经过第一振镜(15)、第二振镜(16)对光束偏转后进入扫描透镜(17)进行聚焦，然后进入显微镜，依次通过场镜(18)、第三反射镜(19)、显微物镜(20)，照射在样品上；其中，非调制光束形成强度分布为高斯型、脉宽为飞秒的光束，作为边缘光抑制技术的激发光，调制光束形成脉宽为皮秒及以上的光束，作为边缘光抑制技术的抑制光，进行激光直写。
6.根据权利要求5所述的可控脉冲展宽与延时的超分辨激光直写装置的激光直写方法，其特征在于，在进行激光直写前，先根据激光直写材料对调制光束和非调制光束所需要的光程差值调节所述位移台(11)，使得两个光束到达样品的时间差满足设定的数值后，再进行激光直写。
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