CN115808855A - 一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置和方法，包括抑制光路、激发光路和光路单元；所述激发光路和抑制光路通过光路单元中的二向色镜合束形成激发‑抑制组合光斑，通过激发光的双光子效应引发负性光刻胶的光聚合，同时引入抑制光束阻止激发光的焦斑边缘位置的光刻胶聚合，从而使得直写式光刻的最小特征尺寸突破光学衍射极限限制，刻写精度达到亚50nm精度级别。本发明提供一种使用特种光纤直接产生涡旋光方案替代空间光调制单元，可以极大简化系统结构和降低系统成本；同时提供一种通过多通道分光单元和光纤阵列组件产生光纤阵列并行直写方案，可以极大的提升系统刻写速度。

Description

一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置和方法

技术领域

本发明属于光学技术领域和光学微加工制造领域，尤其涉及一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置和方法。

背景技术

激光直写技术是一种无需掩模、适用面广、性价比高的微纳米加工手段，相较于传统的微纳加工方法如离子刻蚀、化学气相沉积、模板法和自组装等，其具备精度高、可空性好、适用于不同材料等优势，同时激光直写系统对环境要求相对较低，不需要完全真空环境，具有很好的工业应用前景，目前已经广泛应用于微机电系统、掩模板、微流控、微纳光学器件、超材料等微纳米制造领域。但激光直写技术目前存在刻写速度慢、刻写精度较低两个主要的问题，另外目前提升激光直写速度的主要方式是进行简单的光路光束叠加进行，存在系统成本高、系统尺寸大、系统复杂度高、系统调试难度高和稳定性低等问题，无法满足微纳器件批量生产需求和超高精度微纳器件制造需求，亟需一种新的加工方法同时解决激光直写装置速度慢、加工精度底问题。

基于目前激光直接技术存在的局限性，本发明提供一种低成本同时具有高速超分辨率的激光直写方法和装置。其方案采用517nm飞秒激光做激发光，同时532nm激光做抑制光，激发光和抑制光合束形成激发-抑制组合光斑，其中激发光呈高斯分布，经过聚焦在焦点附近很小范围内发生能量吸收，实现光刻胶固化；抑制光呈涡旋光分布，刚好与激发光同心，阻止聚焦光斑外围光刻胶固化，从而可以进一步提高激光直写精度；同时采用光纤阵列方案，可以低成本实现多束光斑并行加工，极大提高直写速度，满足批量生产需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中刻写速度慢、刻写精度低等问题，提出一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置和方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置，包括抑制光路、激发光路和光路单元；所述抑制光路由抑制光源、第一多通道分光单元和第一光纤阵列组件组成；所述激发光路由激发光源、第二多通道分光单元和第二光纤阵列组件组成；所述光路单元由光纤夹持器、第一透镜、第二透镜、二向色镜、扫描透镜、场镜和物镜组成；所述第一多通道分光单元由偏振分束模块和光纤端口耦合器组成；所述第二多通道分光单元由色散补偿模块、偏振分束模块和光纤端口耦合器组成；所述第一光纤阵列组件和第二光纤阵列组件均由1xN光纤端口耦合器和光纤声光调制器组成；

由抑制光路产生的抑制光阵列和激发光路产生的激发光阵列分别通过第一透镜、第二透镜，在第一透镜、第二透镜焦面位置形成抑制光斑和激发光斑；其中抑制光经过二向色镜透射，激发光经过二向色镜反射，激发光和抑制光经二向色镜合束后，在扫描透镜后焦面位置形成激发-抑制组合光斑阵列，然后经过场镜和物镜，在物镜的焦面位置形成激发-抑制组合光斑阵列，最后通过控制系统控制三维位移台的移动和光纤声光调制器的通断来实现并行式激光直写。

进一步地，所述抑制光阵列产生的过程如下：

利用抑制光源产生一束抑制光，经过M个偏振分束模块形成M+1束抑制光，M+1束抑制光中的每一束抑制光分别接入光纤端口耦合器，接入抑制光的每个光纤端口耦合器连接1xN光纤端口耦合器，形成(M+1)×N束抑制光，(M+1)×N束抑制光即为抑制光阵列，且(M+1)×N束抑制光中的每一束抑制光接入光纤声光调制器；

所述激发光阵列产生的过程如下：

利用激发光源产生一束激发光，先经过色散补偿模块，再经过M个偏振分束模块形成M+1束激发光，M+1束激发光中的每一束激发光分别接入光纤端口耦合器，接入激发光的每个光纤端口耦合器连接1xN光纤端口耦合器，形成(M+1)×N束激发光，(M+1)×N束激发光即为激发光阵列，且(M+1)×N束激发光中的每一束激发光接入光纤声光调制器。

进一步地，(M+1)×N大于等于2或小于等于96。

进一步地，所述色散补偿模块由第一光栅、第二光栅、棱镜、第一反射镜和第二反射镜组成；激发光依次通过第一光栅和第二光栅，再通过棱镜的反射，依次通过第二光栅和第一光栅，最后依次通过第一反射镜和第二反射镜射出。

进一步地，所述偏振分束模块由半波片和偏振分束器组成；所述抑制光源产生的一束抑制光和激发光源产生的一束激发光均先通过半波片，再通过偏振分束器分成两束抑制光和两束激发光；通过调整半波片来控制所分光束功率相等。

进一步地，所述抑制光阵列中的每一束抑制光等功率，且抑制光阵列为具有环形光场分布特征的涡旋光束阵列；所述激发光阵列中的每一束激发光等功率，且激发光阵列为具有高斯型光场分布特征的光束阵列。

进一步地，所述抑制光源产生的抑制光为532nm连续激光；所述激发光源产生的激发光为517nm飞秒激光。

进一步地，所述第一光纤阵列组件和第二光纤阵列组件中各光纤出射光场的发散角与模场直径相等。

一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写方法，利用抑制光源产生一束抑制光，经过M个偏振分束模块形成M+1束抑制光，M+1束抑制光中的每一束抑制光分别接入光纤端口耦合器，接入抑制光的每个光纤端口耦合器连接1xN光纤端口耦合器，形成(M+1)×N束抑制光，(M+1)×N束抑制光即为抑制光阵列，且(M+1)×N束抑制光中的每一束抑制光接入光纤声光调制器；

利用激发光源产生一束激发光，先经过色散补偿模块，再经过M个偏振分束模块形成M+1束激发光，M+1束激发光中的每一束激发光分别接入光纤端口耦合器，接入激发光的每个光纤端口耦合器连接1xN光纤端口耦合器，形成(M+1)×N束激发光，(M+1)×N束激发光即为激发光阵列，且(M+1)×N束激发光中的每一束激发光接入光纤声光调制器；

由抑制光路产生的抑制光阵列和激发光路产生的激发光阵列分别通过第一透镜、第二透镜，在第一透镜、第二透镜焦面位置形成抑制光斑和激发光斑；其中抑制光经过二向色镜透射，激发光经过二向色镜反射，激发光和抑制光经二向色镜合束后，在扫描透镜后焦面位置形成激发-抑制组合光斑阵列，然后经过场镜和物镜，在物镜的焦面位置形成激发-抑制组合光斑阵列，最后通过控制系统控制三维位移台的移动和光纤声光调制器的通断来实现并行式激光直写。

进一步地，(M+1)×N大于等于2或小于等于96。

进一步地，所述偏振分束模块由半波片和偏振分束器组成；所述抑制光源产生的一束抑制光和激发光源产生的一束激发光均先通过半波片，再通过偏振分束器分成两束抑制光和两束激发光；通过调整半波片来控制所分光束功率相等。

进一步地，所述色散补偿模块由第一光栅、第二光栅、棱镜、第一反射镜和第二反射镜组成；激发光依次通过第一光栅和第二光栅，再通过棱镜的反射，依次通过第二光栅和第一光栅，最后依次通过第一反射镜和第二反射镜射出。

进一步地，所述抑制光阵列中的每一束抑制光等功率，且抑制光阵列为具有环形光场分布特征的涡旋光束阵列；所述激发光阵列中的每一束激发光等功率，且激发光阵列为具有高斯型光场分布特征的光束阵列。

进一步地，所述抑制光源产生的抑制光为532nm连续激光；所述激发光源产生的激发光为517nm飞秒激光。

进一步地，所述第一光纤阵列组件和第二光纤阵列组件中各光纤出射光场的发散角与模场直径相等。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供一种通过特种光纤直接产生涡旋光的方法，不需要常规的空间光调制器，结构简单，可行性高，成本低；

（2）本发明的抑制光呈涡旋光分布，刚好与激发光同心，阻止聚焦光斑外围光刻胶固化，从而可以进一步提高激光直写精度；同时采用光纤阵列方案，可以低成本实现多束光斑并行加工，极大提高直写速度，满足批量生产需求；

（3）本发明对激光光路增加色散补偿模块，可以有效解决由于光线器件色散问题导致飞秒激光脉冲展宽引起峰值功率不够的问题；

（4）本发明通过激发光的双光子效应引发负性光刻胶的光聚合，同时引入抑制光束阻止激发光的焦斑边缘位置的光刻胶聚合，从而使得直写式光刻的最小特征尺寸突破光学衍射极限限制，刻写精度达到亚50nm精度级别。

附图说明

图1是本发明抑制光路和激发光路的示意图；

图2是本发明中色散补偿模块光路原理图；

图3是本发明中激光光路与抑制光路及合束原理图；

图4是光纤夹持器的调节功能示意图；

图5是24通道等间距横向排列的系统光斑示意图；

其中，抑制光源1、偏振分束模块2、半波片21、偏振分束器22、 光纤端口耦合器3、1xN光纤端口耦合器4、光纤声光调制器5、控制系统6、激发光源7、色散补偿模块8、第一光栅81、第二光栅82、棱镜83、第一反射镜84、第二反射镜85、光纤夹持器9、第一透镜10、第二透镜11、二向色镜12、扫描透镜13、场镜14、物镜15、三维位移台16。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

实施例1：

本实施例以(M+1)×N=24为例，其中M=5，N=4。

如图1所示，一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置和方法，利用抑制光源1产生一束532nm抑制光，经过5个偏振分束模块2形成6束抑制光，6束抑制光中的每一束抑制光分别接入光纤端口耦合器3，接入抑制光的每个光纤端口耦合器3连接1x4光纤端口耦合器4，形成24束抑制光，24束抑制光即为抑制光阵列，且24束抑制光中的每一束抑制光接入光纤声光调制器5；

利用激发光源7产生一束激发光，先经过色散补偿模块8，再经过5个偏振分束模块2形成6束激发光，6束激发光中的每一束激发光分别接入光纤端口耦合器3，接入激发光的每个光纤端口耦合器3连接1x4光纤端口耦合器4，形成24束激发光，24束激发光即为激发光阵列，且24束激发光中的每一束激发光接入光纤声光调制器5；

其中激发光源7发出的激发光在进入偏振分束模块2前经过色散补偿模块8，色散补偿模块8主要是由于光纤器件存在色散，会把飞秒激光脉冲展宽，使得分束后的激光峰值功率降低，抑制光可以不考虑色散问题。色散补偿模块8的原理主要是通过施加一个与其他器件相反的色散，从而抵消掉光纤器件色散对飞秒激光脉冲和功率的影响。其中色散补偿模块8主要是由第一光栅81和第二光栅82组成的光栅对，然后经过棱镜83反射出来的光重新经过第二光栅82和第一光栅81，然后经过第一反射镜84和第二反射镜85到达分束单元。色散补偿模块8光路原理图如图3所示。

抑制光源1产生的532nm抑制光分束为24束激发光通过光纤声光调制器5接入到光纤夹持器9上，然后通过第一透镜10将光斑变成平行光，并在第一透镜10的焦面上形成中心暗斑的环形光斑，经二向色镜12透射；激发光源7产生的517nm飞秒激发光通过光纤声光调制器5接入到光纤夹持器9上，然后通过第二透镜11将光斑变成平行光，并在第二透镜11的焦面上形成高斯光斑，经二向色镜12反射，通过调整光纤夹持器9上的位移和角度使得抑制光产生的中心暗斑的环形抑制光斑与激发光产生的高斯光斑中心高度重合形成激光-抑制组合光斑，然后再经过扫描透镜13将在第一透镜10和第二透镜11焦面形成的激发-抑制组合光斑变成24束激发-抑制组合光斑阵列，再经过场镜14，使得第一透镜10、第二透镜11后焦面上的像同时共轭到物镜15的入瞳面，合成的光束阵列通过物镜15聚焦为24束并行式激光直写所需的点阵光场。激发光形成的高斯光斑和抑制光形成的涡旋光合束后通过物镜聚焦后的激发-抑制组合光斑如图5所示。

由控制系统6控制三维位移台16进行三个方向的轴向运动，配合计算机控制单元实时控制的光纤声光调制器5，即可实现对光刻胶样品池中任意点的并行式激光直写。

实施例2：

以实施例1不同的是，实施例2以(M+1)×N=2为例，其中M=1，N=1。

实施例3：

以实施例1不同的是，实施例3以(M+1)×N=96为例，其中M=11，N=8。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。

Claims (15)

1.一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置，其特征在于，包括抑制光路、激发光路和光路单元；所述抑制光路由抑制光源、第一多通道分光单元和第一光纤阵列组件组成；所述激发光路由激发光源、色散补偿模块、第二多通道分光单元和第二光纤阵列组件组成；所述光路单元由光纤夹持器、第一透镜、第二透镜、二向色镜、扫描透镜、场镜和物镜组成；所述第一多通道分光单元和第二多通道分光单元均由偏振分束模块和光纤端口耦合器组成；所述第一光纤阵列组件和第二光纤阵列组件均由1xN光纤端口耦合器和光纤声光调制器组成；

由抑制光路产生的抑制光阵列和激发光路产生的激发光阵列分别通过第一透镜、第二透镜，在第一透镜、第二透镜焦面位置形成抑制光斑和激发光斑；其中抑制光经过二向色镜透射，激发光经过二向色镜反射，激发光和抑制光经二向色镜合束后，在扫描透镜后焦面位置形成激发-抑制组合光斑阵列，然后经过场镜和物镜，在物镜的焦面位置形成激发-抑制组合光斑阵列，最后通过控制系统控制三维位移台的移动和光纤声光调制器的通断来实现并行式激光直写。

2.根据权利要求1所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置，其特征在于，所述抑制光阵列产生的过程如下：

利用抑制光源产生一束抑制光，经过M个偏振分束模块形成M+1束抑制光，M+1束抑制光中的每一束抑制光分别接入光纤端口耦合器，接入抑制光的每个光纤端口耦合器连接1xN光纤端口耦合器，形成(M+1)×N束抑制光，(M+1)×N束抑制光即为抑制光阵列，且(M+1)×N束抑制光中的每一束抑制光接入光纤声光调制器；

所述激发光阵列产生的过程如下：

利用激发光源产生一束激发光，先经过色散补偿模块，再经过M个偏振分束模块形成M+1束激发光，M+1束激发光中的每一束激发光分别接入光纤端口耦合器，接入激发光的每个光纤端口耦合器连接1xN光纤端口耦合器，形成(M+1)×N束激发光，(M+1)×N束激发光即为激发光阵列，且(M+1)×N束激发光中的每一束激发光接入光纤声光调制器。

3.根据权利要求2所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置，其特征在于，所述(M+1)×N大于等于2或小于等于96。

4.根据权利要求1所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置，其特征在于，所述色散补偿模块由第一光栅、第二光栅、棱镜、第一反射镜和第二反射镜组成；激发光依次通过第一光栅和第二光栅，再通过棱镜的反射，依次通过第二光栅和第一光栅，最后依次通过第一反射镜和第二反射镜射出。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置，其特征在于，所述偏振分束模块由半波片和偏振分束器组成；所述抑制光源产生的一束抑制光和激发光源产生的一束激发光均先通过半波片，再通过偏振分束器分成两束抑制光和两束激发光；通过调整半波片来控制所分光束功率相等。

6.根据权利要求1所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置，其特征在于，所述抑制光阵列中的每一束抑制光等功率，且抑制光阵列为具有环形光场分布特征的涡旋光束阵列；所述激发光阵列中的每一束激发光等功率，且激发光阵列为具有高斯型光场分布特征的光束阵列。

7.根据权利要求1所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置，其特征在于，所述抑制光源产生的抑制光为532nm连续激光；所述激发光源产生的激发光为517nm飞秒激光。

8.根据权利要求1所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写装置，其特征在于，所述第一光纤阵列组件和第二光纤阵列组件中各光纤出射光场的发散角与模场直径相等。

9.一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写方法，其特征在于，利用抑制光源产生一束抑制光，经过M个偏振分束模块形成M+1束抑制光，M+1束抑制光中的每一束抑制光分别接入光纤端口耦合器，接入抑制光的每个光纤端口耦合器连接1xN光纤端口耦合器，形成(M+1)×N束抑制光，(M+1)×N束抑制光即为抑制光阵列，且(M+1)×N束抑制光中的每一束抑制光接入光纤声光调制器；

利用激发光源产生一束激发光，先经过色散补偿模块，再经过M个偏振分束模块形成M+1束激发光，M+1束激发光中的每一束激发光分别接入光纤端口耦合器，接入激发光的每个光纤端口耦合器连接1xN光纤端口耦合器，形成(M+1)×N束激发光，(M+1)×N束激发光即为激发光阵列，且(M+1)×N束激发光中的每一束激发光接入光纤声光调制器；

由抑制光路产生的抑制光阵列和激发光路产生的激发光阵列分别通过第一透镜、第二透镜，在第一透镜、第二透镜焦面位置形成抑制光斑和激发光斑；其中抑制光经过二向色镜透射，激发光经过二向色镜反射，激发光和抑制光经二向色镜合束后，在扫描透镜后焦面位置形成激发-抑制组合光斑阵列，然后经过场镜和物镜，在物镜的焦面位置形成激发-抑制组合光斑阵列，最后通过控制系统控制三维位移台的移动和光纤声光调制器的通断来实现并行式激光直写。

10.根据权利要求9所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写方法，其特征在于，所述(M+1)×N大于等于2或小于等于96。

11.根据权利要求9所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写方法，其特征在于，所述偏振分束模块由半波片和偏振分束器组成；所述抑制光源产生的一束抑制光和激发光源产生的一束激发光均先通过半波片，再通过偏振分束器分成两束抑制光和两束激发光；通过调整半波片来控制所分光束功率相等。

12.根据权利要求9所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写方法，其特征在于，所述色散补偿模块由第一光栅、第二光栅、棱镜、第一反射镜和第二反射镜组成；激发光依次通过第一光栅和第二光栅，再通过棱镜的反射，依次通过第二光栅和第一光栅，最后依次通过第一反射镜和第二反射镜射出。

13.根据权利要求9所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写方法，其特征在于，所述抑制光阵列中的每一束抑制光等功率，且抑制光阵列为具有环形光场分布特征的涡旋光束阵列；所述激发光阵列中的每一束激发光等功率，且激发光阵列为具有高斯型光场分布特征的光束阵列。

14.根据权利要求9所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写方法，其特征在于，所述抑制光源产生的抑制光为532nm连续激光；所述激发光源产生的激发光为517nm飞秒激光。

15.根据权利要求9所述的一种基于特种光纤的边缘抑制并行激光直写方法，其特征在于，所述第一光纤阵列组件和第二光纤阵列组件中各光纤出射光场的发散角与模场直径相等。

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