CN116430678A - 一种基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统，属于激光加工技术领域，包括：飞秒激光器，用于出射飞秒激光；光路调制组件，对飞秒激光的偏振态、功率和偏转方向进行调制，得到调制激光；多焦点超透镜，用于聚焦调制激光并在光刻胶内部产生多个焦点，同时具有消色差和消像差功能，得到目标激光；工作台组件，用于平移样品以使其处于目标激光的照射区域并利用目标激光进行三维微纳结构加工；观察组件，用于对样品的三维微纳结构加工过程激提供实时观察。本发明利用多焦点超透镜直接替代传统的聚焦物镜实现紧聚焦，实现对任意微纳结构的高通量、高精度、大视场加工，由此解决现有激光直写系统复杂度高、操作繁琐和不易维护的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统。
背景技术
随着化学、物理等基础学科的进步，人类对微机械、微流体、生物医学、微纳光电子学等微观领域的研究更加深入，也更迫切的需要高精度、高速度的微纳加工技术。飞秒激光直写技术利用高数值孔径(numerical aperture，NA)物镜聚焦具有高峰值能量的超短脉冲，通过控制焦点在样品上移动，以实现无掩膜加工。该技术具有热影响区小、高分辨率、可选择材料范围广等特点，广泛应用于减材制造、增材制造、及等材制造等领域。然而传统飞秒激光直写技术采用逐点扫描、逐层堆积的方式进行微纳结构的制造，但逐点曝光的速率受限于振镜、共振镜等机械结构的扫描频率，具有通量小、时间成本高等缺点。
为解决上述问题，以双光子聚合(two-photon polymerization，TPP)飞秒激光直写技术为例，该技术基于TPP效应，即超快激光被高NA物镜紧聚焦到光刻胶内部，当激光强度高于一定阈值时，光刻胶在焦点处发生双光子吸收效应，产生自由基，当自由基浓度大于一定阈值时，单体吸收自由基聚合成链形成微结构，该技术已经广泛应用于微纳机器人、超材料、细胞支架等前沿领域。由于双光子吸收是一种非线性效应，因此吸收能量的空间分布会变窄，实现亚衍射极限的空间分辨率。目前主要有两种提高通量的方法：多焦点并行加工与面投影加工。多焦点并行加工是利用数字微镜阵列(digital micromirror devices，DMD)、空间光调制器(spatial light modulator，SLM)、衍射光学元件(diffractiveoptical elements，DOE)、微透镜阵列(microlens array，MLA)等器件对超快激光进行调制，从而生成多个焦点。但通常需要复杂的光路调制模块配合使用，如：色散补偿模块(光栅、棱镜等)、扩束系统、空间滤波系统等。经过复杂的光场调制，所生成的多个焦点才能被高数值孔径(NA)物镜聚焦到光刻胶内部，以实现并行加工。面投影加工是利用DMD、SLM等器件生成计算全息图(computer-generated holography，CGH)，超快激光被加载上CGH后被高NA物镜聚焦到光刻胶内部，但通常只能实现2D、2.5D加工。
上述提高通量的方法在传统TPP激光直写系统的基础上，通常需要与扩束系统、色散补偿系统、空间滤波系统等模块集成使用，具有系统复杂度高、操作繁琐、成本高和不易维护等缺陷。类似地，其它飞秒激光直写技术也面临着同样的问题。综上，目前并没有基于多焦点超透镜的大通量飞秒激光直写系统的报道，无法实现高集成度、高通量、大视场、高精度、低成本的微纳结构加工。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统，其目的在于，利用多焦点超透镜产生N个均一性好的焦点，并基于其大NA、高效率等特点来直接替代传统的聚焦物镜实现紧聚焦，实现对任意微纳结构的高通量、高精度、大视场加工，由此解决现有激光直写系统复杂度高、操作繁琐和不易维护的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统，包括：
飞秒激光器，用于出射飞秒激光；
光路调制组件，设置在所述飞秒激光的出射光路上，用于对所述飞秒激光的偏振态、功率和偏转方向进行调制，得到调制激光；
多焦点超透镜，设置在所述调制激光的出射光路上，用于聚焦所述调制激光并在光刻胶内部产生多个焦点，同时具有消色差和消像差功能，得到目标激光；
工作台组件，用于平移样品以使其处于所述目标激光的照射区域并利用所述目标激光进行三维微纳结构加工；
观察组件，用于对所述样品的三维微纳结构加工过程激提供实时观察。
在其中一个实施例中，所述光路调制组件包括依次放置且位于同一光路上的偏振调制器、功率控制器、光束扫描器和中继系统；
所述光路调制组件工作时，所述偏振调制器将飞秒激光的偏振态由线偏振光调制成圆偏振光；
所述功率控制器对偏振后的飞秒激光的功率进行实时控制，并兼具光开关的作用；
所述光束扫描器使得功率调制后的飞秒激光在X方向和Y方向进行高速扫描偏转，得到所述调制激光；
所述中继系统使得所述调制激光在不同偏转角度下均可完整覆盖所述多焦点超透镜的入瞳。
在其中一个实施例中，所述多焦点超透镜工作时，所述调制激光入射到所述多焦点超透镜的入瞳处，经过调制后紧聚焦到光刻胶内部产生N个焦点；多焦点超透镜的数值孔径NA尽可能大，以产生较小的光斑，实现高分辨率加工。
在其中一个实施例中，所述工作台组件包括：镜油、样品玻片、光刻胶和三维位移台；所述镜油被均匀覆盖在所述多焦点超透镜的基底背部，所述镜油上方放置所述样品玻片，所述样品玻片上方放置所述光刻胶，所述三维位移台控制所述样品玻片与所述光刻胶的移动，实现任意三维微纳结构的加工。
在其中一个实施例中，所述镜油、所述样品玻片和已聚合的所述光刻胶的折射率保持一致，以提高加工分辨率。
在其中一个实施例中，所述观察组件包括依次放置于同一光路中的物镜、套筒透镜和图像传感器，所述观察组件用于在样品聚合过程中产生的荧光信号并经所述样品透射通过所述物镜进行收集，进而入射到所述套筒透镜上最后在所述图像传感器上成像。
按照本发明的另一方面，提供了一种多焦点超透镜的设计方法，应用于所述的飞秒激光直写系统中的多焦点超透镜，包括：
S1：根据所需要的焦点数目、焦点位置、焦点间距、焦距和透镜等光程原理计算多焦点超透镜表面的相位分布；焦点数目N≥2；焦点位置(xi,yi,fi)为光束经过多焦点超透镜后空间任意一点的位置；焦点间距
为各焦点之间的空间距离；焦距fi为第i个焦点距离多焦点超透镜表面的轴向距离；透镜的等光程原理指，若焦平面处焦点Fi的坐标位置为(xi,yi,fi)，则超透镜的表面相位应满足：
(x,y)是多焦点超透镜表面的坐标点，ω是入射光角频率，c是光速，fi是多焦点超透镜的焦距；
S2：基于纯相位调制或复振幅调制原理设计单元结构及其基底；
S3：根据所述相位分布和所述单元结构的电磁响应特性采用周期性排列或准周期性排列的方式生成所述多焦点超透镜的模型文件；
S4：结合所述多焦点超透镜的模型文件，利用微纳制造技术进行加工。
在其中一个实施例中，所述S1包括：
利用公式
计算所述多焦点超透镜表面的复振幅分布；其中，Ai是常系数；
对复振幅分布求其相位角得到多焦点超透镜表面的加权相位分布。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明与现有大通量飞秒激光直写加工系统相比，可将系统结构极大地简化，无需传统的扩束系统、高数值孔径NA物镜等部件，包括飞秒激光器、光路调制组件、多焦点超透镜、工作台组件和观察组件；利用多焦点超透镜产生N个均一性好的焦点，并基于其大数值孔径NA、高效率等特点来直接替代传统的聚焦物镜实现紧聚焦，实现对任意微纳结构的高通量、高精度、大视场加工，由此解决现有激光直写系统复杂度高、操作繁琐和不易维护的技术问题。提出了一种基于多焦点超透镜的飞秒激光直写技术，实现多点并行加工，其加工通量与传统加工系统相比，提高了N倍，具有大通量、大视场、高集成度、高分辨率、低成本的特点。
(2)本发明设计了一种紧聚焦多焦点超透镜，利用其替代传统聚焦物镜，各焦点之间均一性好，且达到衍射极限，具有大数值孔径NA、高效率、偏振不敏感的特点。
(3)本发明设计了一种缩短工作距的工作台组件，以减小多焦点超透镜的焦距，增大数值孔径NA。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于多焦点超透镜的大通量TPP激光直写系统；
图2为本发明实施例提供的一种单元结构的振幅透过率和相位随半径变化的函数曲线示意图，其中，单元结构为氮化硅圆柱，基底为二氧化硅玻片；
图3为本发明实施例提供的一种多焦点超透镜的扫描电子显微镜示意图；
图4为本发明实施例提供的一种多焦点超透镜的聚焦特性示意图；
图5为本发明实施例提供的一种多焦点超透镜的聚焦特性细节图。
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，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在一个实施例中，以TPP飞秒激光直写技术为例，如图1所示。
本发明提出一种基于多焦点超透镜的大通量TPP激光直写系统，利用多焦点超透镜产生N个均一性好的焦点，并基于其大NA、高效率等特点来直接替代传统的聚焦物镜实现紧聚焦，实现对任意微纳结构的高通量、高精度、大视场加工。本发明与现有大通量TPP激光直写加工系统相比，可将系统结构极大地简化，无需传统的扩束系统、高NA物镜等部件，其特征在于，包括飞秒激光器、光路调制组件、多焦点超透镜、工作台组件和观察组件。
注意，本发明的基于多焦点超透镜大通量飞秒激光直写系统不仅适用于TPP技术，还适用于单光子聚合技术、及多光子聚合技术。
飞秒激光器1，用于输出能够在光刻胶内部产生TPP效应的飞秒激光。
优选地，飞秒激光器1波长可以为780nm。
光路调制组件，用于对飞秒激光的偏振态、功率和偏转方向进行调制。其包括依次放置且位于同一光路中的偏振调制器2、功率控制器3、光束扫描器4、中继系统5，工作时，偏振调制器2将飞秒激光的偏振态由线偏振光调制成圆偏振光，功率控制器3对飞秒激光的功率进行实时控制，并兼具光开关的作用，光束扫描器4使得飞秒激光在X方向和Y方向进行高速扫描偏转，中继系统5使得所述调制激光在不同偏转角度下均可完整覆盖所述多焦点超透镜6的入瞳。
优选地，偏振调制器2可以为四分之一波片。
优选地，功率控制器3可以为声光调制器。
优选地，光束扫描器4可以为振镜。
优选地，中继系统5可以为焦距比为1:1的4f系统。
多焦点超透镜6，用于聚焦飞秒激光并在光刻胶内部产生N个焦点。工作时，飞秒激光入射到多焦点超透镜6的入瞳处，经过调制后紧聚焦到光刻胶内部产生N个焦点。多焦点超透镜的NA尽可能大，以产生较小的光斑，实现高分辨率加工。
优选地，多焦点超透镜6的NA可以为1。
优选地，可以采用色散工程、多层超表面叠加、空间复用等方法实现宽带消色差多焦点超透镜。
优选地，可以采用具有双曲相位分布或二次相位分布的单片式超透镜设计、具有孔径光阑的单片式超透镜设计、双层超表面叠加等方法消除轴外焦点的慧差。
多焦点超透镜6的设计及制造方法包括：
S1，对于波长为780nm的飞秒激光，根据所需要的焦点数目、焦点位置、焦点间距、焦距和透镜等光程原理，计算多焦点超透镜6表面的相位分布。焦点数目N为大于等于2的整数。焦点位置(xi,yi,fi)为光束经过多焦点超透镜后空间任意一点的位置。焦点间距
为各焦点之间的空间距离，其数值决定了加工视场的大小。焦距fi为第i个焦点距离多焦点超透镜表面的轴向距离。
优选地，多焦点超透镜6的焦点数目N可以为7个。
优选地，多焦点超透镜6的焦点间距可以相等，数值为214.29μm。
优选地，多焦点超透镜6的各焦点焦距可以相等，数值为0.594mm。
S1中透镜的等光程原理指，若焦平面处焦点Fi的坐标位置为(xi,yi,f)，则超透镜表面的相位应满足：
其中(x,y)是超透镜表面的坐标点，λ是入射光波长，f是多焦点超透镜6的焦距。
优选地，多焦点超透镜表面6的复振幅分布应满足：
其中Ai是常系数，对式(4)的复振幅分布求其相位角，即可得到多焦点超透镜6表面的加权相位分布。
S2，设计单元结构及基底。单元结构基于纯相位调制或复振幅调制原理，其形状可以是圆柱、环柱、长方体、正多边棱柱、椭圆体、X型立方体、C型立方体、十字立方体及上述形状的巴比涅结构的一种或多种，其材料可以是氮化硅、氮化镓、二氧化钛、单晶硅、多晶硅、非晶硅、IP-Dip聚合物、IP-L聚合物、IP-n162聚合物、IP-S聚合物、金、铝、银中的一种或多种。基底由对激光透明的材料构成，可以是石英或蓝宝石。
优选地，应用传输型相位调控原理，即利用圆柱作为单元结构。该基本单元能够对0-2π的相位范围内进行均匀的四至十阶调制，且聚焦效率保持在80％以上。
优选地，应用氮化硅作为单元结构材料。
优选地，应用石英作为基底材料。
S3，结合S1的相位分布和S2的单元结构的电磁响应特性，采用周期性排列或准周期性排列的方式生成多焦点超透镜的模型文件。
优选地，应用正方形周期性排列方式，周期可以为0.52μm。
S4，结合S3的模型文件，利用微纳制造技术进行加工。
优选地，微纳制造技术可以为电子束曝光技术(EBL)结合刻蚀工艺。
工作台组件，用于平移和固定样品。其包括镜油7、三维位移台8、样品玻片9和光刻胶10，工作时，镜油7被均匀覆盖在多焦点超透镜6基底背部，镜油7上方放置样品玻片9，样品玻片9上方放置光刻胶10，三维位移台8控制样品玻片9与光刻胶10的移动，实现任意三维微纳结构的加工。进一步地，工作台组件需要考虑折射率不匹配引起的加工分辨率差。
优选地，镜油、样品玻片、光刻胶(已聚合)的折射率应保持一致，以提高加工分辨率。
优选地，镜油7可以为Olympus MOIL-30型号，其折射率约为1.518。
优选地，样品玻片9可以为特制玻片，其厚度为40μm，其折射率约为1.52。
优选地，光刻胶10可以为Nanoscribe IP-L，其已聚合的折射率约为1.519。
观察组件，用于对加工过程的实时观察。其包括依次放置于同一光路中的物镜11、套筒透镜12和图像传感器13，工作时，TPP过程中产生的荧光信号通过物镜11收集，入射到套筒透镜12上，并在图像传感器13上成像。
优选地，图像传感器13可以为CCD图像传感器。
在一个实施例中，如图2所示，为构成多焦点超透镜6的圆柱单元结构62的振幅透过率和相位随半径变化的函数曲线示意图，其中单元结构62为氮化硅圆柱，基底61为二氧化硅玻片。图中圆柱单元结构62的半径分别为95nm、119nm、138nm、155nm、173nm、198nm、217nm，可以均匀覆盖0-2π相位范围，如图中标注的7个实心圆点所示。值得注意的是，该七阶圆柱单元结构62的振幅透过率均大于0.9，如图中标注的7个实心三角形所示，这保证了多焦点超透镜6的高效率特性。
在一个实施例中，如图3所示，为多焦点超透镜6的部分结构示意图。结合S1的相位分布和S2的单元结构的相位调制，生成多焦点超透镜6的部分结构示意图，包括二氧化硅基底61，基底61上刻蚀有氮化硅圆柱单元结构62。不同半径的圆柱单元结构62周期性排列以满足所需的相位分布，圆柱单元结构62的高度为1.15μm，周期大小为0.52μm，基底61的厚度为300μm。多焦点超透镜6的入瞳半径为0.52mm，浸油环境下焦距为0.594mm，NA约为1。多焦点超透镜6的焦点数目为7个，焦点间距为214.29μm。将其引入到TPP激光直写系统中替代传统聚焦物镜，在实现大通量、高精度并行加工的同时，系统结构得以大幅度简化，有效地降低成本。
在一个实施例中，如图4所示，为多焦点超透镜6的模拟聚焦特性示意图。结合所计算的相位分布和单元结构进行全模仿真，受限于计算资源，利用电磁学仿真软件LumericalFDTD仿真了一个与实际加工超表面相同NA的小口径超透镜，半径为36.4μm，焦距为41.57μm，采用背浸式聚焦的方法以提高NA，其数值可达到1，焦点间距deta定义为轴外焦点与中心焦点的间距，deta为15μm。如图4所示为仿真聚焦结果，展示了多焦点超透镜6在XOY平面成像的7个焦点，
在一个实施例中，如图5所示，为多焦点超透镜6在XOY平面成像的7个焦点的细节图。仿真得到的聚焦效率为25.5％，此处定义的聚焦效率为各焦点能量之和与入射光总能量之比，经过对商用光刻胶IP-L聚合的预实验探究，计算得到该效率值可以支撑多焦点并行加工。焦点的能量均一性为95.16％，均一性定义为
其中Imin为能量最小的焦点能量值，Imax为能量最大的焦点能量值，高能量均一性有利于并行加工的一致性。
本领域的技术人员容易理解，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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统，其特征在于，包括：
飞秒激光器，用于出射飞秒激光；
光路调制组件，设置在所述飞秒激光的出射光路上，用于对所述飞秒激光的偏振态、功率和偏转方向进行调制，得到调制激光；
多焦点超透镜，设置在所述调制激光的出射光路上，用于聚焦所述调制激光并在光刻胶内部产生多个焦点，同时具有消色差和消像差功能，得到目标激光；
工作台组件，用于平移样品以使其处于所述目标激光的照射区域并利用所述目标激光进行三维微纳结构加工；
观察组件，用于对所述样品的三维微纳结构加工过程激提供实时观察。
2.如权利要求1所述的基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统，其特征在于，所述光路调制组件包括依次放置且位于同一光路上的偏振调制器、功率控制器、光束扫描器和中继系统；
所述光路调制组件工作时，所述偏振调制器将飞秒激光的偏振态由线偏振光调制成圆偏振光；
所述功率控制器对偏振后的飞秒激光的功率进行实时控制，并兼具光开关的作用；
所述光束扫描器使得功率调制后的飞秒激光在X方向和Y方向进行高速扫描偏转，得到所述调制激光；
所述中继系统使得所述调制激光在不同偏转角度下均可完整覆盖所述多焦点超透镜的入瞳。
3.如权利要求2所述的基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统，其特征在于，所述多焦点超透镜工作时，所述调制激光入射到所述多焦点超透镜的入瞳处，经过调制后紧聚焦到光刻胶内部产生N个焦点；多焦点超透镜的数值孔径NA尽可能大，以产生较小的光斑，实现高分辨率加工。
4.如权利要求1所述的基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统，其特征在于，所述工作台组件包括：镜油、样品玻片、光刻胶和三维位移台；所述镜油被均匀覆盖在所述多焦点超透镜的基底背部，所述镜油上方放置所述样品玻片，所述样品玻片上方放置所述光刻胶，所述三维位移台控制所述样品玻片与所述光刻胶的移动，实现任意三维微纳结构的加工。
5.如权利要求1所述的基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统，其特征在于，所述镜油、所述样品玻片和已聚合的所述光刻胶的折射率保持一致，以提高加工分辨率。
6.如权利要求1所述的基于多焦点超透镜的飞秒激光直写系统，其特征在于，所述观察组件包括依次放置于同一光路中的物镜、套筒透镜和图像传感器，所述观察组件用于在样品聚合过程中产生的荧光信号并经所述样品透射通过所述物镜进行收集，进而入射到所述套筒透镜上最后在所述图像传感器上成像。
7.一种多焦点超透镜的设计方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的飞秒激光直写系统中的多焦点超透镜，包括：
S1：根据所需要的焦点数目、焦点位置、焦点间距、焦距和透镜等光程原理计算多焦点超透镜表面的相位分布；焦点数目N≥2；焦点位置(xi,yi,fi)为光束经过多焦点超透镜后空间任意一点的位置；焦点间距
为各焦点之间的空间距离；焦距fi为第i个焦点距离多焦点超透镜表面的轴向距离；透镜的等光程原理指，若焦平面处焦点Fi的坐标位置为(xi,yi,fi)，则超透镜的表面相位应满足：
(x,y)是多焦点超透镜表面的坐标点，ω是入射光角频率，c是光速，fi是多焦点超透镜的焦距；
S2：基于纯相位调制或复振幅调制原理设计单元结构及其基底；
S3：根据所述相位分布和所述单元结构的电磁响应特性采用周期性排列或准周期性排列的方式生成所述多焦点超透镜的模型文件；
S4：结合所述多焦点超透镜的模型文件，利用微纳制造技术进行加工。
8.如权利要求7所述的多焦点超透镜的设计方法，其特征在于，所述S1包括：
利用公式
计算所述多焦点超透镜表面的复振幅分布；其中，Ai是常系数；
对复振幅分布求其相位角得到多焦点超透镜表面的加权相位分布。
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