CN117539129A - 基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统。所述系统包括依次设置的激光器、色散补偿模块、分光模块和刻写模块，由所述激光器产生飞秒激光至所述色散补偿模块，所述飞秒激光经过所述色散补偿模块出射带有负色散的脉冲光束，所述带有负色散的脉冲光束经过所述分光模块进行偏振方向调节，同时所述负色散与所述分光模块中光纤阵列产生的正色散相互抵消，输出多通道飞秒脉宽刻写光束，所述多通道飞秒脉宽刻写光束经过所述刻写模块进行准直投射，输出多通道衍射极限刻写光斑进行并行刻写。采用本方法能够对大模场光纤阵列产生的非线性色散进行补偿，实现飞秒量级的刻写光束脉宽，提高了刻写效率。
Description
技术领域
本申请涉及激光刻写技术领域，特别是涉及一种基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统。
背景技术
双光子激光直写技术作为一种成熟的微纳加工技术，利用飞秒激光脉冲引发光刻胶产生双光子聚合效应，从而实现超越衍射极限的微纳结构加工。
而目前的飞秒激光直写速度较慢，现有技术中通过增加刻写通道的方法来提高刻写速度，多采用空间光调制器或衍射光学原件来产生多通道并行刻写通道，专利文献CN113189846A公开了一种基于光场调控的双路并行超分辨激光打印装置，该方法包括：直写激光器发出的激光依次经过直写路准直器、直写路防漂移系统、直写路能量调控模块、直写路波前调控模块进入合束模块；抑制路激光器发出的激光依次经过抑制路准直器、抑制路防漂移系统、抑制路能量调控模块、抑制路波前调控模块进入合束模块；直写光在直写路波前调控模块中被调制，抑制光在抑制路波前调控模块中被调制，两路光合束后，形成两对直写-抑制光斑组合。但是该装置虽然偏振分光镜生成两路偏振方向互相垂直的两束刻写光束，使用空间光分束-合束来提高刻写通量，但是装置上的光路繁琐复杂而且装置调试难度大。
此外由于高功率的飞秒光在光纤中传播时，会产生线性色散和非线性色散，对脉冲影响较大的为二阶色散和三阶色散，其中二阶色散为群延迟色散(GDD)，属于线性色散，三级色散(TOD)属于非线性色散。光纤色散会严重影响脉冲宽度，将飞秒脉宽展宽到皮秒量级，影响光刻胶的双光子效应。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低光路复杂度、有利于系统多通道扩展提供刻写通量的基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统。
第一方面，本申请提供了一种基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统。所述系统包括依次设置的激光器、色散补偿模块、分光模块和刻写模块，
由所述激光器产生飞秒激光至所述色散补偿模块，所述飞秒激光经过所述色散补偿模块出射带有负色散的脉冲光束，所述带有负色散的脉冲光束经过所述分光模块进行偏振方向调节，同时所述负色散与所述分光模块中光纤阵列产生的正色散相互抵消，输出多通道飞秒脉宽刻写光束，所述多通道飞秒脉宽刻写光束经过所述刻写模块进行准直投射，输出多通道衍射极限刻写光斑进行并行刻写。
在其中一个实施例中，所述色散补偿模块包括棱栅对和屋脊棱镜，所述飞秒激光经过所述棱栅对出射至所述屋脊棱镜，通过所述屋脊棱镜折射回所述棱栅对中，由所述棱栅对出射所述带有负色散的脉冲光束至所述分光模块。
在其中一个实施例中，所述棱栅对由第一透射光栅第一棱镜、第二棱镜和第二透射光栅组合而成，所述第一透射光栅与所述第二透射光栅平行放置，所述第一棱镜和所述第二棱镜旋转对称放置于所述第一透射光栅与所述第二透射光栅之间。
在其中一个实施例中，所述分光模块包括按光前进方向依次设置的偏振调节分光模块和大模场光纤模块，
所述带有负色散的脉冲光束经过所述偏振调节分光模块调节所述带有负色散的脉冲光束的偏振方向，输出所述多通道脉冲光束，所述多通道脉冲光束中包含线性负色散和非线性负色散；所述多通道脉冲光束经过所述大模场光纤模块产生正色散，与所述多通道脉冲光束中的线性负色散和非线性负色散相互抵消，生成所述多通道飞秒脉宽刻写光束。
在其中一个实施例中，所述偏振调节分光模块包括半波片、偏振分光棱镜和光纤耦合器，
所述带有负色散的脉冲光束每依次经过一个所述半波片和所述偏振分光棱镜的组合，将所述带有负色散的脉冲光束分为透射光和反射光，由所述光纤耦合器将所述透射光和反射光耦合到所述大模场光纤阵列模块。
在其中一个实施例中，所述大模场光纤模块包括大模场光纤阵列，所述大模场光纤阵列的输出端由裸纤紧密排列组成，输出保持单模光斑的所述多通道飞秒脉宽刻写光束。
在其中一个实施例中，所述刻写模块包括按光路方向依次设置的准直透镜、4F成像系统和显微物镜，所述多通道飞秒脉宽刻写光路中每一路圆形实心直写光束经过所述准直透镜准直成平行光后，经过所述4F成像系统和所述显微物镜聚焦输出所述多通道衍射极限刻写光斑进行并行刻写。
在其中一个实施例中，所述4F成像系统包括依次设置的扫描透镜和场镜，所述平行光的光斑经过所述扫描透镜共轭到所述场镜的后焦面上，由所述显微物镜聚焦输出。
在其中一个实施例中，所述系统还包括第一反射模块，所述第一反射模块包括第一反射镜和第二反射镜，所述飞秒激光依次经过所述第一反射镜和第二反射镜至所述色散补偿模块。
在其中一个实施例中，所述系统还包括第二反射模块，所述第二反射模块包括第三反射镜和第四反射镜，所述带有负色散的脉冲光束依次经过所述第三反射镜和第四反射镜至所述分光模块。
上述基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，通过依次设置的激光器、色散补偿模块、分光模块和刻写模块，由所述激光器产生飞秒激光至所述色散补偿模块，所述飞秒激光经过所述色散补偿模块出射带有负色散的脉冲光束，所述带有负色散的脉冲光束经过所述分光模块进行偏振方向调节，同时所述负色散与所述分光模块中光纤阵列产生的正色散相互抵消，输出多通道飞秒脉宽刻写光束，所述多通道飞秒脉宽刻写光束经过所述刻写模块进行准直投射，输出多通道衍射极限刻写光斑进行并行刻写，实现对大模场光纤阵列产生的非线性色散的补偿，输出飞秒量级的刻写光束脉宽，提高了刻写效率。
附图说明
图1为一个实施例中基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统的结构框图；
图2为一个实施例中基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，所述系统包括依次设置的激光器101、色散补偿模块102、分光模块103和刻写模块104。所述激光器101产生飞秒激光至所述色散补偿模块102，所述飞秒激光经过所述色散补偿模块102出射带有负色散的脉冲光束，所述带有负色散的脉冲光束经过所述分光模块103进行偏振方向调节，同时所述负色散与所述分光模块中大模场光纤产生的正色散相互抵消，输出多通道飞秒脉宽刻写光束，所述多通道飞秒脉宽刻写光束经过所述刻写模块104进行准直投射，输出多通道衍射极限刻写光斑进行并行刻写。
上述基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统中，通过激光器101、色散补偿模块102、分光模块103和刻写模块104，极大地降低了刻写光路的复杂程度，并对光纤阵列中产生的非线性色散进行补偿，实现了多通道飞秒量级刻写光束脉宽，提高刻写效率。
在一个实施例中，如图2所示，所述色散补偿模块102包括棱栅对21和屋脊棱镜22，所述飞秒激光经过所述棱栅对21出射至所述屋脊棱镜22，通过所述屋脊棱镜22折射回所述棱栅对21中，由所述棱栅对21出射所述带有负色散的脉冲光束至所述分光模块103。
具体地，如图2所示，所述棱栅对21由第一透射光栅211、第一棱镜212、第二棱镜213和第二透射光栅214组合而成，所述第一透射光栅211与所述第二透射光栅214平行放置，所述第一棱镜212和所述第二棱镜213旋转对称放置于所述第一透射光栅211与所述第二透射光栅214之间。
示例性地，飞秒激光经过第一透射光栅211、第一棱镜212、第二棱镜213和第二透射光栅214后，到达屋脊棱镜22的第一反射面，通过屋脊棱镜22的第二反射面，重新进入棱栅对21中，依次经过棱栅对21的第二透射光栅214、第二棱镜213、第一棱镜212和第一透射光栅211，通过优化光栅对参数，输出带有负二阶色散和负三阶色散的脉冲光束至分光模块103。
本实施例中，通过棱栅对和屋脊棱镜，产生线性负色散和非线性负色散，用于与飞秒脉冲光束经过光纤产生的线性正色散和非线性正色散进行抵消，从而实现刻写装置中的色散补偿，避免非线性色散造成刻写光束脉宽展宽。
在一个实施例中，如图2所示，所述分光模块103包括按光前进方向依次设置的偏振调节分光模块31和大模场光纤模块32。
所述带有负色散的脉冲光束经过所述偏振调节分光模块31调节所述带有负色散的脉冲光束的偏振方向，输出所述多通道脉冲光束，所述多通道脉冲光束中包含线性负色散和非线性负色散；所述多通道脉冲光束经过所述大模场光纤模块32产生正色散，与所述多通道脉冲光束中的线性负色散和非线性负色散相互抵消，生成所述多通道飞秒脉宽刻写光束。
具体地，所述偏振调节分光模块31包括半波片311、偏振分光棱镜312和光纤耦合器313。所述带有负色散的脉冲光束每依次经过一个所述半波片311和所述偏振分光棱镜312的组合，将所述带有负色散的脉冲光束分为透射光和反射光，由所述光纤耦合器313将所述透射光和反射光的光束耦合到大模场光纤阵列模块32。
具体地，所述大模场光纤模块32包括大模场光纤阵列321，所述大模场光纤阵列的输出端由裸纤紧密排列组成，输出保持单模光斑的所述多通道飞秒脉宽刻写光束。
相比于普通单模光纤，大模场光纤阵列模场直径较大，根据光纤非线性色散公式，假设普通单模光纤MFD是3微米，大模场光纤MFD是9微米，大模场光纤非线性色散长度是普通单模光纤9倍，大模场光纤可以有效降低光纤非线性色散，517nm波长经过大模场光纤保持单模光斑。
示例性地，带有负色散的脉冲光束每依次经过一个半波片311和偏振分光棱镜312的组合，使用半波片311调整光束的偏振方向，所述带有负色散的脉冲光束分为透射P光和反射S光，由光纤耦合器313将透射P光和反射S光的光束耦合进入大模场光纤阵列321的输入端。
在本实施例中，通过同时增加偏振调节模块中半波片、偏振分光棱镜和光纤耦合器的数量，调节最终输出的刻写光束的数量，实现任意通道数量的并行式刻写。
在一个实施例中，如图2所示，所述刻写模块104包括按光前进方向依次设置的准直透镜41、4F成像系统42和显微物镜43，所述多通道飞秒脉宽刻写光路中每一路圆形实心直写光束经过所述准直透镜41准直成平行光后，经过所述4F成像系统42和所述显微物镜43聚焦输出所述多通道衍射极限刻写光斑进行并行刻写。
具体地，如图2所示，所述4F成像系统42包括依次设置的扫描透镜421和场镜422，所述平行光的光斑经过所述扫描透镜421共轭到所述场镜422的后焦面上，经过所述显微物镜43聚焦输出。
示例性地，经过大模场光纤阵列321输出的多通道刻写光路中每一路圆形实心直写光束经过准直透镜41准直成平行光后，该平行光经过扫描透镜421共轭到所述场镜422的后焦面上，最后由显微物镜43聚焦输出多通道衍射极限刻写光斑。
在本实施例中，通过设置准直透镜41、扫描透镜421、场镜422和显微物镜43，将大模场光纤阵列321输出的多通道刻写光路聚焦为多通道衍射极限刻写光斑，实现多通道并行刻写，提高了刻写效率。
在一个实施例中，如图2所示，所述基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统还包括第一反射模块105，所述第一反射模块105包括第一反射镜61和第二反射镜62，所述飞秒激光依次经过所述第一反射镜61和第二反射镜62至所述色散补偿模块21。
具体地，激光器101产生飞秒激光经过第一反射镜61和第二反射镜62后进入色散补偿模块21。
在一个实施例中，如图2所示，所述基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统还包括第二反射模块106，所述第二反射模块106包括第三反射镜63和第四反射镜64，所述带有负色散的脉冲光束依次经过所述第三反射镜63和第四反射镜64至所述分光模块31。
具体地，从色散补偿模块102出射的带有负色散的脉冲光束经过第三反射镜63和第四反射镜64后，进入分光模块103。
在一个示例实施例中，提供一种基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，包括依次设置的产生517nm波长的飞秒激光的激光器101、第一反射模块105、色散补偿模块102、第二反射模块106、分光模块103和刻写模块104，其中，色散补偿模块102包括由第一透射光栅211、第一棱镜212、第二棱镜213和第二透射光栅214组合而成的棱栅对21和屋脊棱镜22。第一反射模块105包括第一反射镜61和第二反射镜62。第二反射模块106包括第三反射镜63和第四反射镜64。分光模块103包括由半波片311、偏振分光棱镜312和光纤耦合器313组合而成的六通道偏振调节分光模块31和大模场光纤阵列321。刻写模块104包括按光前进方向依次设置的准直透镜41、扫描透镜421、场镜422和显微物镜43。
激光器101产生的飞秒激光依次经过第一反射模块105的第一反射镜61和第二反射镜62后，进入色散补偿模块102的棱栅对21中，该飞秒激光依次经过棱栅对21的第一透射光栅211、第一棱镜212、第二棱镜213和第二透射光栅214，到达色散补偿模块102的屋脊棱镜22，经过屋脊棱镜22的反射，重新进入棱栅对21中，依次经过棱栅对21的第二透射光栅214、第二棱镜213、第一棱镜212和第一透射光栅211，出射带有负色散的脉冲光束至分光模块103的偏振调节分光模块31，带有负色散的脉冲光束每依次经过一个半波片311和偏振分光棱镜312的组合，就将带有负色散的脉冲光束分为透射P光和反射S光，由光纤耦合器313将透射P光和反射S光的光束耦合输出，得到多通道脉冲光束至大模场光纤阵列321。多通道脉冲光束经过大模场光纤阵列321时产生正二阶色散和正三阶色散与经过色散补偿模块102后产生的负二阶色散和负三阶色散相互抵消，输出多通道飞秒脉宽刻写光束至刻写模块104的准直透镜41，准直透镜41将多通道刻写光路中每一路圆形实心直写光束准直成平行光后，出射至刻写模块104的扫描透镜421上，平行光经过扫描透镜421共轭到场镜422的后焦面上，最后经过显微物镜43聚焦输出多通道衍射极限刻写光斑，对样品进行并行刻写。
在本示例实施中，采用棱栅对和大模场光纤阵列结合的方式，棱栅对提供负二阶色散和负三阶色散，用于补偿大模场光纤阵列由于飞秒激光的入射产生正二阶色散和正三阶色散，使光纤阵列出射光保持飞秒脉宽，同时使用半波片、偏振分光棱镜和光纤耦合器来增加刻写通道，提高刻写效率。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，其特征在于，所述系统包括依次设置的激光器、色散补偿模块、分光模块和刻写模块，
由所述激光器产生飞秒激光至所述色散补偿模块，所述飞秒激光经过所述色散补偿模块出射带有负色散的脉冲光束，所述带有负色散的脉冲光束经过所述分光模块进行偏振方向调节，同时所述负色散与所述分光模块中光纤阵列产生的正色散相互抵消，输出多通道飞秒脉宽刻写光束，所述多通道飞秒脉宽刻写光束经过所述刻写模块进行准直投射，输出多通道衍射极限刻写光斑进行并行刻写。
2.根据权利要求1所述的基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，其特征在于，所述色散补偿模块包括棱栅对和屋脊棱镜，所述飞秒激光经过所述棱栅对出射至所述屋脊棱镜，通过所述屋脊棱镜折射回所述棱栅对中，由所述棱栅对出射所述带有负色散的脉冲光束至所述分光模块。
3.根据权利要求2所述的基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，其特征在于，所述棱栅对由第一透射光栅、第一棱镜、第二棱镜和第二透射光栅组合而成，所述第一透射光栅与所述第二透射光栅平行放置，所述第一棱镜和所述第二棱镜旋转对称放置于所述第一透射光栅与所述第二透射光栅之间。
4.根据权利要求1所述的基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，其特征在于，所述分光模块包括按光前进方向依次设置的偏振调节分光模块和大模场光纤模块，
所述带有负色散的脉冲光束经过所述偏振调节分光模块调节所述带有负色散的脉冲光束的偏振方向，输出多通道脉冲光束，所述多通道脉冲光束中包含线性负色散和非线性负色散；所述多通道脉冲光束经过所述大模场光纤模块产生正色散，与所述多通道脉冲光束中的线性负色散和非线性负色散相互抵消，生成所述多通道飞秒脉宽刻写光束。
5.根据权利要求4所述的基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，其特征在于，所述偏振调节分光模块包括半波片、偏振分光棱镜和光纤耦合器，
所述带有负色散的脉冲光束每依次经过一个所述半波片和所述偏振分光棱镜的组合，将所述带有负色散的脉冲光束分为透射光和反射光，由所述光纤耦合器将所述透射光和反射光耦合到所述大模场光纤模块。
6.根据权利要求5所述的基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，其特征在于，所述大模场光纤模块包括大模场光纤阵列，所述大模场光纤阵列的输出端由裸纤紧密排列组成，输出保持单模光斑的所述多通道飞秒脉宽刻写光束。
7.根据权利要求1所述的基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，其特征在于，所述刻写模块包括按光路方向依次设置的准直透镜、4F成像系统和显微物镜，所述多通道飞秒脉宽刻写光路中每一路圆形实心直写光束经过所述准直透镜准直成平行光后，经过所述4F成像系统和所述显微物镜聚焦输出所述多通道衍射极限刻写光斑进行并行刻写。
8.根据权利要求7所述的基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，其特征在于，所述4F成像系统包括依次设置的扫描透镜和场镜，所述平行光的光斑经过所述扫描透镜共轭到所述场镜的后焦面上，由所述显微物镜聚焦输出。
9.根据权利要求1所述的基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，其特征在于，所述系统还包括第一反射模块，所述第一反射模块包括第一反射镜和第二反射镜，所述飞秒激光依次经过所述第一反射镜和第二反射镜至所述色散补偿模块。
10.根据权利要求1所述的基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统，其特征在于，所述系统还包括第二反射模块，所述第二反射模块包括第三反射镜和第四反射镜，所述带有负色散的脉冲光束依次经过所述第三反射镜和第四反射镜至所述分光模块。
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| CN202311449276.3A CN117539129A (zh) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311449276.3A CN117539129A (zh) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 基于色散补偿的光纤传输激光直写光刻系统 |
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