CN114019766B - 一种利用千束独立可控ppi点阵进行高通量直写的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置，该装置主要包含激发光和抑制光两路光，激发光路包含核心元件数字微镜阵列DMD、微透镜阵列MLA和连续变形镜DM，抑制光路包括核心元件空间光调制器SLM。本发明利用微透镜阵列MLA产生千束激发光点阵，利用高速连续变形镜DM矫正系统波前像差，实现点阵分布均匀性和光斑质量的优化，利用数字微镜阵列DMD对点阵的开关、强度进行独立调控，抑制光路通过空间光调制器SLM产生四束光，四束光在物镜焦平面干涉产生的点阵暗斑用于涡旋抑制光，与激发光点阵在物镜焦平面重合后形成千束PPI点阵，可实现大面积复杂三维结构的超分辨高通量灵活刻写。

Description

一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置
技术领域
本发明属于微纳加工领域，更具体地，涉及一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置和方法。
背景技术
激光直写技术走向产业应用，需要在保证刻写精度的同时将加工通量大幅度提升，同时解决刻写结构单一的问题，实现复杂三维结构的高通量高精度刻写。
在实心激发光基础上叠加涡旋光来抑制激发光外围引起的聚合反应，该方法即为边缘光抑制(Peripheral Photoinhibition,PPI)技术，可大幅度提升刻写精度。
通过提升PPI点阵的并行数可实现加工通量的提升，但目前通过涡旋相位板、空间光调制器SLM、数字微镜器件DMD等产生涡旋光束的数量十分有限，限制了基于PPI技术的加工通量，而采用光束干涉形成点阵暗斑阵列用作涡旋光的方法，可以大幅度提升PPI的并行数，但刻写的结构单一。文献(Optics Letters,2020,45(10):2712-2715)通过四光束干涉产生的点阵暗斑作为涡旋光阵列，与扩束后的实心激发光重合得到了1225束并行STED光束，同时实现了35nm的空间分辨率；由于方案中激发光直接扩束后与涡旋点阵重叠，无法对激发光点阵中各单元光斑进行独立开关控制，该方案用于超分辨显微成像，引用该方案到光刻系统中，虽然加工通量可以明显提升，但也只能加工周期性结构，无法满足复杂结构的刻写。因此，如何在实现大量并行数的同时对各单点进行独立调控，是目前PPI技术亟需解决的关键难题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置和方法，该装置通过核心元件数字微镜阵列DMD、微透镜阵列MLA和连续变形镜DM产生千束独立可控的激发光实心点阵，并利用空间光调制器SLM产生四束光进行干涉，得到的点阵暗斑用于涡旋抑制光阵列，与激发光点阵重叠后形成PPI阵列进行刻写，可实现大面积三维复杂结构的高通量超分辨灵活加工。
本发明的技术解决方案如下：
一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置，该装置主要包含激发光和抑制光两路光。激发光源经第一三角棱镜的第一高反面反射到连续变形镜DM上，DM对入射激发光进行波前像差矫正后，出射光再经第一三角棱镜的第二高反面反射到反射镜，反射镜出射的激发光入射到数字微镜阵列DMD，DMD对入射光进行振幅调制，产生千束独立可控子光斑阵列，该光斑阵列通过由第一凸透镜和第二凸透镜组成的4F系统成像到微透镜阵列MLA前焦面，通过MLA对各个子光斑进行聚焦产生千束焦点阵列，该焦点阵列再依次通过第一套筒透镜、第一二向色镜反射、第二二向色镜透射和物镜，最终成像到物镜焦平面上形成千束激发点阵；抑制光源经第二三角棱镜的第一高反面反射到空间光调制器SLM上，SLM对入射激发光进行相位调制产生四束光，四束光经第二三角棱镜的第二高反面反射到第二套筒透镜，四束光经第二套筒透镜后再从第一二向色镜透射与激发光进行合束，合束后四束抑制光和激发光一起通过二向色镜透射，并经过物镜成像到其焦平面上，其中四束抑制光以相等干涉角在物镜焦平面上进行干涉产生干涉点阵，干涉点阵暗斑与激发光点阵在空间重合形成千束PPI阵列，结合位移台的移动实现三维复杂结构的高通量刻写，产生的荧光依次经过物镜、第二二向色镜反射和第三凸透镜成像到CCD上。
作为优选，所述的第一三角棱镜和第二三角棱镜顶角设计角度在95°左右，使入射光经第一高反面反射后，到变形镜DM和空间光调制器SLM的入射角均在5°左右，且从两三角棱镜第二反射面出射的光束光轴(或四光束中心轴线)与入射第一高反面的光束光轴，两者保持共线。
作为优选，所述的高速连续变形镜DM用于对激发光的波前像差进行闭环矫正，优化点阵位置分布的均匀性及光斑质量。
作为优选，所述的反射镜用于调节入射光到DMD的角度，使光垂直于DMD窗口出射，DMD用于对入射光斑进行振幅调制，具体为通过DMD微镜开关控制对DMD像素进行分区，得到N×N个有效子阵列，子阵列内的微镜处于开状态，各子阵列间的微镜处于关状态，无法沿所需方向反射出光，入射激光通过DMD的这种振幅调制后被划分成N×N光斑阵列，一个子阵列对应一个子光斑，从DMD出射的N×N光斑阵列依次经过第一凸透镜和第二凸透镜组成的4F系统，成像到微透镜阵列MLA上，对DMD微镜状态分布和成像系统进行合理设计，使入射到MLA的子光斑口径不大于MLA微透镜尺寸，同时保证各子光斑的分布周期与MLA各微透镜的周期基本一致，N×N光斑阵列最终与MLA的N×N微透镜在空间上一一重合，并在MLA焦平面上形成N×N焦点阵列。
作为优选，所述的数字微镜阵列DMD包含N×N个子阵列，每个子阵列包含m×m个微镜，且对应一个子光斑，对m×m个微镜进行独立“开”与“关”的状态切换，实现各子光斑的强度、开关及光斑能量分布的独立控制，其实现方式具体为：将m×m个微镜全部切换到“关”状态，即实现相应子光斑的关闭；某子光斑相比于其他子光斑的强度过高，可关闭该子光斑所对应m×m个微镜的部分外围微镜，单独降低其光斑能量；当子光斑本身的能量分布不均，可在m×m个微镜中均匀地关闭光斑能量过大区域所对应的部分微镜，使子光斑该区域的能量降低，匀化该子光斑的能量分布。
作为优选，所述的空间光调制器SLM通过相位调制产生四束准直光，四束光在物镜入瞳处的落点位置组成一个正方形，位于对角线的两束光偏振方向相同，相邻两束光的偏振方向互相垂直，除此之外，四束光的其他参数完全一致。
作为优选，所述的第一套筒透镜、第二套筒透镜都分别与物镜组成4F系统，MLA的后焦面和SLM表面都分别与物镜16的焦平面共轭，使MLA焦平面的激发光点阵成像在物镜焦平面上，使SLM产生的四束抑制光最终以相等干涉角在物镜焦平面上重叠干涉产生干涉点阵，干涉点阵暗斑与激发光实心点阵重合形成千束PPI阵列，实现超分辨高通量刻写。
本发明的技术效果如下：
本发明利用微透镜阵列MLA产生千束激发光点阵，利用高速连续变形镜DM矫正系统波前像差，实现点阵分布均匀性和光斑质量的优化，利用数字微镜阵列DMD对点阵的开关、强度进行独立调控，抑制光路通过空间光调制器SLM产生四束光，四束光在物镜焦平面干涉产生的点阵暗斑用于涡旋抑制光，与激发光点阵在物镜焦平面重合后形成千束PPI点阵，可实现大面积复杂三维结构的超分辨高通量灵活刻写。
附图说明
图1为本发明利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置结构示意图；
图2为本发明利用变形镜DM矫正波前像差优化MLA子焦点位置分布的示意图；
图3为本发明通过整体开关DMD子阵列内的微镜实现点阵子光斑独立开关的示意图；
图4(a)和图4(b)分别为本发明控制DMD子阵列内微镜开关分布调节点阵子光斑强度和均匀性的示意图；
图5为本发明四束抑制光干涉形成的暗斑阵列与激发光点阵重合形成PPI阵列的示意图。
图中，1-激发光源，2-第一三角棱镜，3-连续变形镜DM，4-反射镜，5-数字微镜阵列DMD，6-第一凸透镜，7-第二凸透镜，8-微透镜阵列MLA，9-第一套筒透镜，10-抑制光源，11-第二三角棱镜，12-空间光调制器SLM，13-第二套筒透镜，14-第一二向色镜，15-第二二向色镜，16-物镜，17-位移台，18-第三凸透镜，19-CCD。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
如图1所示，本发明的利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置，该装置主要包含两路光，即激发光路和抑制光路，其中所述激发光路如下：激发光源1首先经过第一三角棱镜2的第一高反面，并以小角度入射到高速连续变形镜DM 3上，基于闭环监测反馈系统，连续变形镜DM 3针对整个系统对激发光引入的波前像差进行闭环矫正，矫正后的光束从DM 3反射，并经第一三角棱镜2的第二高反面反射到反射镜4上，第一三角棱镜2的入射光和反射光共线，反射镜4用于调节激发光入射数字微镜阵列DMD 5的角度，使DMD 5的出射光沿其窗口垂直出射，DMD 5对激发光进行振幅调制，产生千束子光斑激发阵列，同时实现对子光斑开关、强度的独立调控，子光斑阵列通过第一凸透镜6和第二凸透镜7组成的4F系统成像到微透镜阵列MLA 8的前焦面，与MLA 8的各微透镜在空间上一一对应，并在MLA 8后焦面形成千束焦点阵列，该焦点阵列再通过第一套筒透镜9和物镜16组成的4F系统，成像到物镜16的焦平面进行刻写；所述抑制光路如下：抑制光源10首先经过第二三角棱镜11的第一高反面反射，以小角度入射到空间光调制器SLM 12上，SLM 12对抑制光进行相位调制，产生四束准直光，四束光通过第二套筒透镜13和物镜16组成的4F系统将SLM 12表面的像成到物镜16的焦平面上，四束抑制光在物镜16焦平面重叠干涉，形成干涉点阵；激发光和抑制光分别通过第一二向色镜14反射和透射进行合束，合束后一起经过第二二向色镜15入射到物镜16，并在物镜16焦平面实现干涉点阵暗斑和激发光实心点阵的重合，形成千束PPI刻写阵列，结合位移台17的移动可实现三维复杂结构的高通量刻写，产生的荧光依次经过物镜16、第二二向色镜15反射和第三凸透镜18成像到CCD 19上。
如图2所示，入射微透镜阵列MLA 8的光束波前为理想平面波前(双实直线)时，聚焦后焦点(实圆环)位于对应微透镜的光轴上(参考位置)，当入射光束波前存在畸变(双虚曲线)时，焦点(虚圆环)将偏离参考位置，同时光斑质量变差，严重影响刻写结构的质量。通过在末端对激发点阵进行实时监测，并将信息反馈到高速连续变形镜DM 3(可采用法国Alpao的高速连续变形镜闭环矫正系统)，DM 3通过对Zernike多项式各项系数的调控，实现对波前的闭环矫正，最终使激发点阵的光斑质量和均匀性都得到大幅度提升。
如图3所示，通过DMD 5的微镜状态分布设计，产生N×N光斑阵列，通过第一凸透镜6和第二凸透镜7组成的4F系统，使DMD 5表面与MLA 8前焦面共轭，使N×N光斑阵列与MLA 8的N×N(千束级)微透镜在空间上精确匹配，从而在MLA 8后焦面得到N×N焦点阵列。例如：由于DMD 5单个微镜及子微镜阵列均为方形，为实现子光斑和MLA 8微透镜的空间精确匹配，推荐采用MLA 8单个微透镜形状也为方形；假定DMD 5采用分辨率为1920×1080、像素周期为10.8μm的标准产品，假定定制MLA8含70×70个微透镜，单个微透镜尺寸为150μm×150μm；以MLA8尺寸为模板设计DMD 5微镜状态分布，如图3所示，每个白色虚线框代表MLA8一个微透镜，每个白黑方形区域都代表一个DMD微镜，白黑两色分别表示微镜处于“开”和“关”状态；设计DMD 5子微镜阵列为14×14，子阵列中间m×m＝10×10微镜处于开状态，外围两微镜处于关闭状态，DMD 5一个子阵列对应一个子光斑，理论上DMD 5像素最多可划分为137×77个子阵列(1920/14＝137.1，1080/14＝77.1)，即最多产生137×77＝10549个子光斑，考虑光斑阵列边缘的损耗，实际可用的子光斑数也足以满足MLA8的70×70阵列数需求；由于DMD 5子阵列尺寸14×10.8μm＝151.2μm，与MLA8微透镜尺寸有1.2μm的偏差(DMD 5和MLA8之间采用1：1成像关系)，如以子阵列周期性排列方式设计DMD 5微镜状态分布，会出现子光斑覆盖MLA 8两个微透镜的情况，无法使各子光斑被限制在MLA 8各微透镜内。可参照MLA 8模板，逐步微调DMD 5各子阵列的位置分布及阵列间距，使DMD5各子阵列分别落在MLA 8各微透镜内，最终设计实现DMD 5子阵列和MLA 8千级微透镜的精确匹配，在MLA 8后焦面得到所需的焦点阵列。如图3所示，通过关闭DMD 5某子阵列的m×m微镜来关闭与之对应的MLA 8子焦点，可实现对MLA 8焦点阵列子光斑的独立开关控制。
通过DMD 5实现对MLA 8子焦点的能量分布匀化及强度调控，具体方式为：当子焦点本身的能量分布不均，可在所对应DMD 5子阵列的m×m个微镜中均匀地关闭光斑能量过大区域所对应的部分微镜，使子焦点该区域的能量降低，匀化该子光斑的能量分布，如图4(a)所示；当某子焦点相比于其他子焦点的强度过高，可关闭该子焦点所对应DMD 5子阵列的m×m个微镜的部分外围微镜，降低其光斑能量，如图4(b)所示。
如图5所示，第一套筒透镜9和物镜16组成4F系统，将MLA8焦平面的焦点阵列成像到物镜16的焦面上；第二套筒透镜13和物镜16组成4F系统，使SLM 12表面与物镜16焦平面共轭；通过SLM 12相位调制将抑制光变为四束准直光，四束光在横截面上的位置分布组成一个正方形，位于对角线的两束光偏振方向相同，相邻两束光的偏振方向互相垂直，除此之外，四束光的其他参数完全一致，四束抑制光最终成像到物镜16焦平面，通过四光束重叠干涉产生干涉点阵，干涉点阵暗斑间距可根据公式进行计算：
Tx＝Ty＝λ/(2nsinθ)
其中，Tx为列间距，Ty为行间距；λ为干涉光束的波长，n为油介质的折射率，θ为四光束干涉角。具体实施时，激光波长λ和折射率n确定，通过SLM 12调节四光束在物镜入瞳面相对于光轴的横向距离，即调节干涉角θ，从而调节Tx和Ty，同时合理设计MLA的周期和单透镜尺寸，使干涉点阵间距与MLA8的周期一致，最终实现点阵暗斑与激发光点阵的空间重叠，得到千束级PPI阵列，该PPI阵列的强度、开关、能量分布独立可控，可用于任意大面积复杂三维结构的高通量超分辨刻写。

Claims (7)

1.一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置，包含激发光和抑制光两路光；其特征在于：
所述激发光路如下：激发光源（1）经第一三角棱镜（2）的第一高反面反射到连续变形镜DM（3）上，DM（3）对入射激发光进行波前像差矫正后，出射光再经第一三角棱镜（2）第二高反面反射到反射镜（4），反射镜（4）出射的激发光入射到数字微镜阵列DMD（5），DMD（5）对入射光进行振幅调制，产生千束独立可控子光斑阵列，该光斑阵列通过由第一凸透镜（6）和第二凸透镜（7）组成的4F系统成像到微透镜阵列MLA（8）前焦面，通过MLA（8）对各个子光斑进行聚焦产生千束焦点阵列，该焦点阵列再依次通过第一套筒透镜（9）、第一二向色镜（14）反射、第二二向色镜（15）透射和物镜（16），最终成像到物镜（16）焦平面上形成千束激发点阵；
所述抑制光路如下：抑制光源（10）经第二三角棱镜（11）的第一高反面反射到空间光调制器SLM（12）上，SLM（12）对入射激发光进行相位调制产生四束光，四束光经第二三角棱镜（11）的第二高反面反射到第二套筒透镜（13），四束光经第二套筒透镜（13）后再从第一二向色镜（14）透射与激发光进行合束，合束后四束抑制光和激发光一起通过二向色镜（15）透射，并经过物镜（16）成像到其焦平面上，其中四束抑制光以相等干涉角在物镜（16）焦平面上进行干涉产生干涉点阵，干涉点阵暗斑与激发光点阵在空间重合形成千束PPI阵列，结合位移台（17）的移动实现三维复杂结构的高通量刻写，产生的荧光依次经过物镜（16）、第二二向色镜（15）反射和第三凸透镜（18）成像到CCD（19）上。
2.根据权利要求1所述的一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置，其特征在于：所述的第一三角棱镜（2）和第二三角棱镜（11）顶角设计角度在95°左右，使入射光经第一高反面反射后，入射到变形镜DM（3）和空间光调制器SLM（12）的入射角在5°左右，且从第一三角棱镜（2）和第二三角棱镜（11）的第二高反射面出射的光束光轴或四光束中心轴线与入射第一高反面的光束光轴，两者保持共线。
3.根据权利要求1所述的一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置，其特征在于：所述的连续变形镜DM（3）用于对激发光的波前像差进行闭环矫正，优化点阵位置分布的均匀性及光斑质量。
4.根据权利要求1所述的一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置，其特征在于：所述的反射镜（4）用于调节入射光到DMD（5）的角度，使光垂直于DMD（5）窗口出射，DMD（5）用于对入射光斑进行振幅调制，具体为通过DMD（5）微镜开关控制对DMD（5）像素进行分区，得到N×N个有效子阵列，子阵列内的微镜处于开状态，各子阵列间的微镜处于关状态，无法沿所需方向反射出光，入射激光通过DMD（5）的振幅调制后被划分成N×N光斑阵列，一个子阵列对应一个子光斑，从DMD（5）出射的N×N光斑阵列依次经过第一凸透镜（6）和第二凸透镜（7）组成的4F系统，成像到微透镜阵列MLA（8）上，对DMD（5）微镜状态分布和成像系统进行设计，使入射到MLA（8）的子光斑口径不大于MLA（8）微透镜尺寸，同时保证各子光斑的分布周期与MLA（8）各微透镜的周期基本一致，N×N光斑阵列最终与MLA（8）的N×N微透镜在空间上一一重合，并在MLA（8）焦平面上形成N×N焦点阵列。
5.根据权利要求1所述的一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置，其特征在于：所述的数字微镜阵列DMD（5）包含N×N个子阵列，每个子阵列包含m×m个微镜，且对应一个子光斑，对m×m个微镜进行独立“开”与“关”的状态切换，实现各子光斑的强度、开关及光斑能量分布的独立控制，其实现方式具体为：将m×m个微镜全部切换到“关”状态，即实现相应子光斑的关闭；某子光斑相比于其他子光斑的强度过高，可关闭该子光斑所对应m×m个微镜的部分外围微镜，单独降低其光斑能量；当子光斑本身的能量分布不均，可在m×m个微镜中均匀地关闭光斑能量过大区域所对应的部分微镜，使子光斑该区域的能量降低，匀化该子光斑的能量分布。
6. 根据权利要求1所述的一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置，其特征在于：所述的空间光调制器SLM （12）通过相位调制产生四束准直光，四束光在物镜入瞳处的落点位置组成一个正方形，位于对角线的两束光偏振方向相同，相邻两束光的偏振方向互相垂直，除此之外，四束光的其他参数完全一致。
7.根据权利要求1所述的一种利用千束独立可控PPI点阵进行高通量直写的装置，其特征在于：所述的第一套筒透镜（9）、第二套筒透镜（13）都分别与物镜（16）组成4F系统，MLA（8）的后焦面和SLM（12）表面都分别与物镜（16）的焦平面共轭，使MLA（8）焦平面的激发光点阵成像在物镜焦平面上，使SLM（12）产生的四束抑制光最终以相等干涉角在物镜（16）焦平面上重叠干涉产生干涉点阵，干涉点阵暗斑与激发光实心点阵重合形成千束PPI阵列，实现超分辨高通量刻写。
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