CN115639729B - 一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写方法和系统，本发明将一水平偏振方向的激光入射至空间光调制器的液晶面元，所述的空间光调制器加载不同的全息相位图实现对入射光束的分束并调整分束后各个子光束的位置，从而实现良好地耦合进光纤阵列。光纤阵列通过光开光模块实现每一路光的开关。通过每路光的开关以及三维位移台的移动，实现三维大面积的微纳结构直写，本发明的直写效果更加丰富，直写效率进一步提高，有效解决了现有激光直写系统直写速度慢分辨率低等问题。

Description

一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写方法及系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域以及光学微纳加工制造领域，具体涉及一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写方法及系统。

背景技术

双光子激光技术是在微纳尺度构建各种功能性结构的有效手段，因而其不仅是高端芯片制造所必需的核心技术，而且是目前诸多前沿科学领域进行基础性研究的必要工具。双光子激光直写技术已经被广泛应用在各个领域，例如微型机械器件制造，生物医疗领域的微型支架定制，微流控芯片加工，微纳光学元件制备，光子晶体器件研究等。此外，双光子激光直写可以在保持纳米至微米级高精度的同时，实现毫米到微米级介观尺寸物体的加工。相较于电子束直写，激光直写的加工条件及环境要求相比电子束直写低很多，有很好的发展前途。尤其是随着飞秒脉冲激光的出现，在直写过程中，可以突破经典光学理论衍射极限的限制，大大提高了加工精度，可以成功的实现纳米尺度的加工分辨率。激光直写技术，其不需要掩模板和真空加工环境，因此具有良好的工业化应用前景。但是，由于激光直写技术通过聚焦光斑对样品材料进行作用，聚焦斑受到光学衍射极限限制，其最小尺度约为光波长的一半，因而加工精度受限。而且，单光束激光直写系统加工速度较慢，达不到实际生产和应用的要求，无法实现大面积直写。同时，如果采用传统的利用空间分束原件如偏振分光镜等分束方案，会造成系统庞大，加剧系统的不稳定性，对系统的稳定、防漂等提出更高的要求。

发明内容

本发明旨在解决现有激光直写技术中无法大面积直写、直写速度慢等问题，提供一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写方法及系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写方法，具体为：

将一水平偏振方向的激光入射至空间光调制器的液晶面元，利用空间光调制器按照加载的全息相位图对入射激光进行调制生成在空间按设计需要排列的第一光束阵列，将第一光束阵列耦合进光纤阵列，光纤阵列出射的光聚焦后即获得并行激光，利用并行激光在待加工物体上进行激光直写。

本发明光束阵列通过物镜耦合到光纤阵列，其中光束阵列的每一子光束可以通过设计不同的全息相位图进行调整，从而实现光束阵列高效率地耦合进光纤阵列。

进一步地，所述水平偏振方向的激光全部覆盖空间调制器的液晶面元，尽可能利用空间光调制器的利用率同时降低光功率密度。

进一步地，所述光纤阵列包括第一单模保偏光纤阵列、光开关模块和第二单模保偏光纤阵列，其中，第一单模保偏光纤阵列接收耦合第一光束阵列，光开关模块控制第一单模保偏光纤阵列输出的第二光束阵列中每束光束的开关和光强并耦合进入第二单模保偏光纤阵列，使得第二单模保偏光纤阵列的每一根光纤输出端的功率相同。

进一步地，还包括通过光纤端面成像模块观察光纤阵列的端面情况及第一光束阵列的耦合情况，根据观察的结果对全息相位图进行调整，对入射的第一光束阵列的位置进行移动，控制第一光束阵列的耦合效率。

一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写系统，包括：

激光源，用于产生激光；

扩束系统，用于将激光的光斑直径扩大至全部覆盖空间调制器的液晶面元；

偏振控制模块，用于将经过扩束系统扩束后的激光的偏振方向控制为水平偏振，获得水平偏振方向的激光；

光栅对，用于对水平偏振方向的激光进行脉宽补偿；

三角棱镜，用于将补偿后的激光反射至空间光调制器中；

空间光调制器，用于按照加载的全息相位图对入射激光进行调制生成在空间按设计需要排列的第一光束阵列；

第一4f系统，用于对第一光束阵列进行成像；

分光棱镜，用于将第一光束阵列分成两路；

光纤端面成像模块，所述光纤端面成像模块包括由第一物镜和第五透镜组成的成像系统、偏振片、第一分光镜、第一照明光源和第一相机，其中，经分光棱镜分成两路的第一光束阵列一路进入第一物镜聚焦后耦合进入光纤阵列，一路由第五透镜聚焦、偏振片控制偏振方向、第一分光镜耦合第一照明光源的光束后进入第一相机，将光纤阵列的端面成像至第一相机；

光纤阵列，所述光纤阵列包括第一单模保偏光纤阵列、光开关模块和第二单模保偏光纤阵列，其中，第一单模保偏光纤阵列接收耦合一路第一光束阵列，光开关模块控制第一单模保偏光纤阵列输出的第二光束阵列中每束光束的开关和光强并耦合进入第二单模保偏光纤阵列，使得第二单模保偏光纤阵列的每一根光纤输出端的功率相同；

第二物镜，用于将第二单模保偏光纤阵列输出第三光束阵列准直出射；

第二4f系统，用于对准直出射的光束成像至第三物镜的入瞳处；

第三物镜，输出并行激光，在待加工物体上进行激光直写；

三维位移台，用于置放待加工物体，控制待加工物体与并行激光的相对运动，通过位移台的三维控制，实现任意复杂的三维结构的激光直写。

进一步地，还包括设置在激光直写监测模块，所述激光直写监测模块包括第二分光镜、第八透镜、第三分光镜、第二照明光源和第二相机；其中第二分光镜用于将准直出射的光束分光一路至第八透镜聚焦，再通过第三分光镜耦合第二照明光源的光束后进入第二相机；通过第二相机监测观察激光直写情况。

进一步地，还包括设置在激光源后的光隔离器。

进一步地，所述空间光调制器的调制光波段为500-550 nm，空间光调制器最大的刷新频率为120Hz。

进一步地，所述光开关模块由连接在每一路光纤的光纤声光调制器组成，通过控制加载至光纤声光调制器上的电压控制光的开光，同时调整光强。

进一步地，所述光纤声光调制器，其响应频率不低于1kHz，消光比不高于50dB。

进一步地，所述的空间光调制器为纯相位型空间光调制器，可以提高入射光的调制效率，空间光调制器对入射光相位进行调制。

进一步地，出射端的光纤排成一列竖排，便于多通道并行直写。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过加载计算好的全息相位图实现对光束进行分光，所分的光束阵列的位置可以通过加载不同设计的全息相位图进行调整，从而实现光束的良好耦合。

（2）本发明所用光纤可以进行排列，具有高度的拓展性，可由单通道，进一步拓展至多通道，提高并行数进而提高了直写的速度。

（3）本发明的直写系统设计简单，通过光纤代替空间光路，可以进一步提高系统的集成度，简化系统。

（4）通过每路光的开关以及三维位移台的移动，实现三维大面积的微纳结构直写，本发明的直写效果更加丰富，直写效率进一步提高，有效解决了现有激光直写系统直写速度慢分辨率低等问题。

附图说明

图1为本发明基于全息相位分束的光纤并行激光直写系统一种实施方式的光路图。

其中：1、激光源；2、光隔离器；3、第一透镜；4、第二透镜；5、半波片；6、偏振分光镜；7、第一反射镜；8、第二反射镜；9、光栅对；10、三角棱镜；11、空间光调制器；12、第三透镜；13、第四透镜；14、分光棱镜；15、第一物镜；16、第五透镜；17、偏振片；18、第一分光镜；19、第一相机；20、第一照明光源；21、第一单模保偏光纤阵列；22、光纤声光调制器；23、第二单模保偏光纤阵列；24、第二物镜；25、第六透镜；26、第七透镜；27、第二分光镜；28、第八透镜；29、第三分光镜；30、第二照明光源；31、第三物镜；32、三维位移台；33、第二相机。

图2为一示例性的全息相位图。

图3为一示例性的入射至十通道光纤的光斑仿真图案。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。

在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

本发明提供了一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写方法，具体为：

将一水平偏振方向的激光入射至空间光调制器的液晶面元，利用空间光调制器按照加载的全息相位图对入射激光进行调制生成在空间按设计需要排列的第一光束阵列，将第一光束阵列耦合进光纤阵列，光纤阵列出射的光聚焦后即获得并行激光，利用并行激光在待加工物体上进行激光直写。

本发明通过加载计算好的全息相位图实现对于光束进行分光，所分的光束阵列的位置可以通过加载不同设计的全息相位图进行调整，从而实现光束的良好耦合。

基于本发明提供的基于全息相位分束的光纤并行激光直写方法，本发明还提供了一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写系统，该系统主要包括：激光源1，扩束系统、偏振控制模块、光栅对9、三角棱镜10、空间光调制器11，第一4f系统，分光棱镜14，光纤端面成像模块、光纤阵列、第二物镜24，第三物镜31、三维位移台32等；其中，

所述光纤端面成像模块用于获取光纤阵列的端面信息，包括由第一物镜15和第五透镜16组成的成像系统、偏振片17、第一分光镜18、第一照明光源20和第一相机19。

扩束系统一般由一组透镜组成，本实施例中，扩束系统具体由第一透镜3和第二透镜4组成。

偏振控制模块主要用于控制光束的偏振方向，一般可以采用偏振片、偏振分光镜等，本实施例中采用半波片5和偏振分光镜6组合作为偏振控制模块。半波片5固定在可旋转的光学镜架上，通过偏振片的绕光轴旋转固定入射激光的偏振方向；所述偏振分光镜6通过介质分束膜来反射s光透过p光，分离s偏振光和p偏振光。

所述光纤阵列优选为单模保偏光纤，进一步地，所述光纤阵列包括第一单模保偏光纤阵列、光开关模块和第二单模保偏光纤阵列的组合，光开关模块控制第一单模保偏光纤阵列输出的第二光束阵列中每束光束的开关和光强并耦合进入第二单模保偏光纤阵列，使得第二单模保偏光纤阵列的每一根光纤输出端的功率相同；优选地，光开关模块可以采用光纤声光调制器，通过控制加载至光纤声光调制器上的电压控制光的开光，同时调整光强。一般地，光纤声光调制器，其响应频率不低于1kHz，消光比不高于50dB。

所述的空间光调制器优选为纯相位型空间光调制器，可以提高入射光的调制效率。所述的空间光调制器的调制光波段为500-550 nm。优选为532nm。

图1示出为本发明基于全息相位分束的光纤并行激光直写系统一种实施方式的光路图，其中反射镜用于改变光路方向，以充分利用空间，缩小系统体积。

具体地，激光源（激光器）1输出飞秒激光，一般地，激光器1后会设置光隔离器2，通过对应的532 nm波长的光隔离器2，光隔离器2可以确保飞秒激光不被反射，从而损坏激光器1。然后飞秒激光经过由第一透镜3和第二透镜4组成的扩束系统；扩束系统将激光的光斑直径扩大至其尽可能全部覆盖空间调制器11的液晶面元，从而充分利用空间光调制器11的调制效率，同时也避免过高的功率密度光入射至空间光调制器11，而导致空间光调制器11损坏。

扩束后的光束通过第一半波片5以及偏振分光棱镜6组成的偏振控制模块，控制偏振分光棱镜6的透射光为水平偏振获得水平偏振方向的激光，满足空间光调制器11对入射光偏振方向的要求，同时旋转第一半波片5可以实现初步的光强调节。水平偏振方向的激光再经过第一反射镜7和第二反射镜8后，经过光栅对9 对入射飞秒激光器的脉宽进行压缩以补偿系统引入的脉宽展宽。而后光通过镀膜的三角棱镜10以一定角度如5度反射至空间光调制器11中，控制空间光调制器11加载计算好的全息相位图，如图2所示，并按照加载的全息相位图对入射激光进行调制生成在空间按设计需要排列的第一光束阵列。全息相位图通过权重GS计算得到。

空间光调制器11出射的第一光束阵列经过第三透镜12和第四透镜13组成的第一4f系统成像至第一物镜15入瞳处，并由第一物镜15对调制后的光束阵列进行聚焦。光纤端面由第一物镜15和第五透镜16组成的成像系统成像由第五透镜聚焦、偏振片控制偏振方向、第一分光镜耦合第一照明光源的光束后至第一相机19上。通过第一相机19的观察不仅可以清晰观察第一单模保偏光纤阵列21的端面情况，同时可以观察入射的第一光束阵列是否良好的耦合进光纤。根据观察的情况，通过对全息相位图的调整，可以实现对入射的第一光束阵列的位置进行移动，从而提高耦合效率。

聚焦后的光束阵列耦合进第一单模保偏光纤阵列21后，再经过光纤声光调制器22。通过控制程序改变加载至光纤声光调制器22上的电压进而控制光的开关的同时，也能调整出射端的光强。光纤声光调制器22输出端的第二光束阵列接入第二单模保偏光纤阵列23。通过光纤声光调制器22的调节，使得第二单模保偏光纤阵列23每一根光纤输出端的功率相同。

第二单模保偏光纤阵列23的端面放置在第二物镜24的焦面上，并由第二物镜24准直出射。准直出射的光由第六透镜25、第七透镜26组成的第二4f系统成像至第三物镜31的入曈处，第三物镜31为高数值孔径物镜，通过高数值孔径物镜聚焦得到并行激光，并行激光入射到待加工物体上，通过三维位移台32的三维控制置于三维位移台32上的待加工物体与并行激光的相对运动，实现任意复杂的三维结构的激光直写。通过光纤声光调制器22的开关功能，控制多通道光纤的开光，实现不同通道刻写不一样的三维结构。图3示出为入射至十通道光纤的光斑仿真图案，可以看出每个光斑都是基模高斯光束，光束之间的距离可以通过调整全息相位图进行调整。

作为一优选实施方案，系统还包括设置在激光直写监测模块，所述激光直写监测模块包括第二分光镜27、第八透镜28、第三分光镜29、第二照明光源30和第二相机33；其中第二分光镜27用于将准直出射的光束分光一路至第八透镜28聚焦，再通过第三分光镜29耦合第二照明光源30的光束后进入第二相机33；通过第二相机33实时监测激光直写过程。此外，还能观察多光束阵列的质量以及刻写的样品的效果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写方法，其特征在于，具体为：

将一水平偏振方向的激光入射至空间光调制器的液晶面元，利用空间光调制器按照加载的全息相位图对入射激光进行调制生成在空间按设计需要排列的第一光束阵列，将第一光束阵列耦合进光纤阵列，所述光纤阵列包括第一单模保偏光纤阵列、光开关模块和第二单模保偏光纤阵列，其中，第一单模保偏光纤阵列接收耦合第一光束阵列，光开关模块控制第一单模保偏光纤阵列输出的第二光束阵列中每束光束的开关和光强并耦合进入第二单模保偏光纤阵列，使得第二单模保偏光纤阵列的每一根光纤输出端的功率相同；光纤阵列出射的光聚焦后即获得并行激光，利用并行激光在待加工物体上进行激光直写；通过光纤端面成像模块观察光纤阵列的端面情况及第一光束阵列的耦合情况，根据观察的结果对全息相位图进行调整，对入射的第一光束阵列的位置进行移动，控制第一光束阵列的耦合效率；其中光纤端面成像模块，所述光纤端面成像模块包括由第一物镜和第五透镜组成的成像系统、分光棱镜、偏振片、第一分光镜、第一照明光源和第一相机，其中，第一照明光源的照明光经过第一分光镜反射穿过偏振片和第五透镜聚焦后，经由分光棱镜反射后，进入第一物镜照射到光纤阵列的端面，从而照亮光纤端面；被光纤阵列端面反射回来的光再依次经过第一物镜，分光棱镜反射，穿过第五透镜和偏振片后，经过第一分光镜后进入第一相机，通过第一相机观察光纤阵列端面；第一光束阵列经分光棱镜分束后，透射光束通过第一物镜耦合进光纤阵列，反射光束经第五透镜、偏振片、第一分光镜后进入第一相机。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水平偏振方向的激光全部覆盖空间调制器的液晶面元。

3.一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写系统，其特征在于，包括：

激光源，用于产生激光；

扩束系统，用于将激光的光斑直径扩大至全部覆盖空间调制器的液晶面元；

偏振控制模块，用于将经过扩束系统扩束后的激光的偏振方向控制为水平偏振，获得水平偏振方向的激光；

光栅对，用于对水平偏振方向的激光进行脉宽补偿；

三角棱镜，用于将补偿后的激光反射至空间光调制器中；

空间光调制器，用于按照加载的全息相位图对入射激光进行调制生成在空间按设计需要排列的第一光束阵列；

第一4f系统，用于对第一光束阵列进行成像；

光纤端面成像模块，所述光纤端面成像模块包括由第一物镜和第五透镜组成的成像系统、分光棱镜、偏振片、第一分光镜、第一照明光源和第一相机，其中，第一照明光源的照明光经过第一分光镜反射穿过偏振片和第五透镜聚焦后，经由分光棱镜反射后，进入第一物镜照射到光纤阵列的端面，从而照亮光纤端面；被光纤阵列端面反射回来的光再依次经过第一物镜，分光棱镜反射，穿过第五透镜和偏振片后，经过第一分光镜后进入第一相机，通过第一相机观察光纤阵列端面；

光纤阵列，所述光纤阵列包括第一单模保偏光纤阵列、光开关模块和第二单模保偏光纤阵列，其中，第一单模保偏光纤阵列接收耦合第一光束阵列，光开关模块控制第一单模保偏光纤阵列输出的第二光束阵列中每束光束的开关和光强并耦合进入第二单模保偏光纤阵列，使得第二单模保偏光纤阵列的每一根光纤输出端的功率相同；

所述分光棱镜用于将成像后的第一光束阵列分成两束，透射光束通过第一物镜耦合进光纤阵列，反射光束经第五透镜、偏振片、第一分光镜后进入第一相机；

第二物镜，用于将第二单模保偏光纤阵列输出的第三光束阵列准直出射；

第二4f系统，用于对准直出射的光束成像至第三物镜的入瞳处；

第三物镜，输出并行激光，在待加工物体上进行激光直写；

三维位移台，用于置放待加工物体，控制待加工物体与并行激光的相对运动。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括激光直写监测模块，所述激光直写监测模块包括第二分光镜、第八透镜、第三分光镜、第二照明光源和第二相机；其中第二照明光源出射的光被第三分光镜反射，再经过第八透镜聚焦并穿过第二分光镜进入第三物镜聚焦至刻写的待加工物体面上；待加工物体反射出来的光再经由第三物镜收集并穿过第二分光镜后由第八透镜准直并穿过第三分光镜入射至第二相机，通过第二相机监测激光直写情况。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括设置在激光源后的光隔离器。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述空间光调制器的调制光波段为500-550nm，空间光调制器最大的刷新频率为120Hz。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光开关模块为光纤声光调制器，通过控制加载至光纤声光调制器上的电压控制光的开光，同时调整光强。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光纤声光调制器，其响应频率不低于1kHz，消光比不高于50dB。