CN117908339A - 宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置及方法，该装置按光前进方向依次包括飞秒激光光源、第一透镜、介质、第二透镜、反射镜、数字微镜阵列、第三透镜、物镜和位移台，其中，介质位于第一透镜和第二透镜之间的焦点位置，数字微镜阵列位于第三透镜的前焦面位置，物镜的焦面位于位移台所承载的样品内；利用飞秒激光在介质中的非线性作用生成宽带飞秒激光，通过数字微镜阵列对该飞秒激光进行调制实现光场调控，并结合该宽带飞秒激光在刻写平面的时空同步聚焦效应，实现对样品的刻写。本发明能够大幅度提升轴向分辨率，实现高通量、高分辨率、任意复杂结构的三维刻写。

Description

宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置及方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光直写技术领域，尤其涉及一种宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置及方法。

背景技术

飞秒激光直写技术中，大面积高通量刻写和刻写精度往往无法同时兼顾，尤其是轴向精度的瓶颈一直难以突破。基于飞秒激光和数字微镜阵列（Digital MicromirrorDevices，DMD）的面曝光技术实现了兼具高通量和高精度的三维刻写，尤其结合时空同步聚焦特性，实现轴向分辨率175nm，将体素纵横比提升至1.25：1，证明了时空同步聚焦技术可以有效提升刻写的轴向精度。但该方法要求所用飞秒光源具有足够高的功率，用以支撑DMD的大面积单次快速曝光，同时利用时空同步聚实现轴向分辨率提升与飞秒光源的光谱宽度强相关，因此要求飞秒光源具有足够的带宽，带宽越宽，时空同步聚焦效果越好，轴向分辨率越高。

商业化飞秒振荡器可具有40nm带宽，但其功率不足以支撑DMD的大幅面单次快速曝光；商业飞秒放大器虽然具有足够高的功率，但其光谱宽度更窄，一般局限在30nm以内。通过非线性效应将高功率飞秒激光带宽提升至100nm以上，其实现技术已非常成熟，如通过将放大后的飞秒激光与钆镓石榴石（gadolinium gallium garnet，GGG）晶体的非线性作用，可以将光谱宽度从24nm提升至259nm，光谱覆盖范围为626nm-1167nm；如结合时空同步聚焦技术，可大幅度提升刻写的轴向分辨率，而即便20%的转换效率也足够支撑DMD的全幅面单次快速曝光。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置及方法。本发明能够实现大面积、高精度的任意复杂结构三维刻写。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明实施例第一方面提供了一种宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，按光前进方向依次包括飞秒激光光源、第一透镜、介质、第二透镜、反射镜、数字微镜阵列、第三透镜、物镜和位移台，其中，所述介质位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的焦点位置，所述数字微镜阵列位于所述第三透镜的前焦面位置，所述物镜的焦面位于所述位移台所承载的样品内；

该直写装置的光学路径具体包括：所述飞秒激光光源生成入射的飞秒激光，飞秒激光经过所述第一透镜聚焦到所述介质的内部，再经过所述介质后生成宽带飞秒激光，该宽带飞秒激光经过所述第二透镜准直成平行光束，该平行光束入射到所述反射镜上，经过所述反射镜将该平行光束反射到所述数字微镜阵列上，通过所述数字微镜阵列对光束进行调制得到目标强度分布的光斑，该光斑从所述数字微镜阵列出射，并随后依次经过所述第三透镜和所述物镜，将所述数字微镜阵列表面的光场成像到所述物镜的焦面，结合所述位移台的高速扫描，实现对样品的刻写。

进一步地，所述介质包括晶体和光纤。

进一步地，所述第二透镜和所述第一透镜的焦距比根据使用激光的功率和口径进行调节。进一步地，所述数字微镜阵列的表面和所述物镜的焦面平行。

进一步地，所述反射镜用于将宽带飞秒激光以入射角为24°的方向入射到所述数字微镜阵列，所述数字微镜阵列的表面法线沿光轴，以确保所述数字微镜阵列的表面光场和所述物镜的焦面光场平行。

进一步地，所述数字微镜阵列具有空间光调制功能，所述数字微镜阵列由微镜周期性紧密排列而成，通过所述数字微镜阵列内微镜的独立开关控制实现对入射光场的调控，以获取目标强度分布的光场。

进一步地，所述通过所述数字微镜阵列内微镜的独立开关控制实现对入射光场的调控，具体包括：

当飞秒激光光斑入射到所述数字微镜阵列表面上时，处于开状态的微镜沿光轴方向反射光斑，处于关状态的微镜不沿光轴方向反射光斑，通过独立控制各微镜的开状态和关状态，对覆盖在所述数字微镜阵列上的光斑进行空间调制，获得目标强度分布的光斑。

进一步地，所述数字微镜阵列的多个微镜呈二维周期性分布，所述数字微镜阵列具有二维衍射光栅特性，宽带飞秒激光入射到所述数字微镜阵列时满足光栅衍射方程nλ=d(sinα+sinβ)，其中d为光栅常数，α为入射角，β为出射角，λ为激光波长，n为衍射级次，从所述数字微镜阵列出射的宽度飞秒激光具有角色散，其不同波长的飞秒激光的出射角不同，不同波长的飞秒激光在空间分离；不同波长的飞秒激光经过所述第三透镜后平行传输，再经过所述物镜后汇聚在所述物镜的焦面，实现时空同步聚焦。

本发明实施例第二方面提供了一种基于上述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置的直写方法，具体包括：所述飞秒激光光源生成入射的飞秒激光，飞秒激光经过所述第一透镜后聚焦到所述介质的内部，基于飞秒激光和所述介质的非线性作用生成宽带飞秒激光，该宽带飞秒激光随后经过所述第二透镜准直成平行光束，该平行光束入射到所述反射镜上，经过所述反射镜将该平行光束反射到所述数字微镜阵列上，通过所述数字微镜阵列对光束进行调制得到目标强度分布的光斑，该光斑从所述数字微镜阵列出射，并随后依次经过所述第三透镜和所述物镜组成的成像系统，将所述数字微镜阵列表面的光场成像到所述物镜的焦面，同时结合所述位移台的高速扫描，以使光场依次扫描所述位移台所承载样品的不同位置，实现对样品的直写。

进一步地，所述基于飞秒激光和所述介质的非线性作用生成宽带飞秒激光的原理，具体包括：

飞秒激光经过所述第一透镜后将该准直光束聚焦，所述介质位于所述第一透镜的焦点位置，通过飞秒激光在焦点位置的高峰值功率密度，使其在所述介质中产生非线性作用，对飞秒激光光谱进行调制，生成宽带飞秒激光；并通过调整所述第二透镜和所述第一透镜的焦距比实现对飞秒激光的扩束，以使扩束后的飞秒激光覆盖所述数字微镜阵列的表面。

本发明的有益效果是，本发明在基于飞秒激光和数字微镜阵列的时空同步聚焦刻写技术的基础上，通过飞秒激光与介质的非线性作用拓展光谱宽度，大幅提升时空同步聚焦能力，进而提升刻写的轴向分辨率，实现大面积、高通量、高精度的快速曝光和刻写。

附图说明

图1是本发明的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置的结构示意图；

图2是本发明中利用飞秒激光与介质的非线性作用拓宽光谱宽度的示意图；

图3是本发明的数字微镜阵列实现光斑调制的示意图；

图4是本发明的飞秒激光不同波长成分从数字微镜阵列到物镜焦面的传输路径的示意图；

图5是本发明的飞秒激光在物镜焦面附近的脉冲变化示意图。

图中，飞秒激光光源1、第一透镜2、介质3、第二透镜4、反射镜5、数字微镜阵列6、第三透镜7、物镜8、位移台9。

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。显而易见地，下面描述中使用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。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明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、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明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，尽管在本发明可能采用术语第一、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，在不脱离本发明范围的情况下，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”。

下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

本发明的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，如图1所示，该直写装置按光前进方向依次包括飞秒激光光源1、第一透镜2、介质3、第二透镜4、反射镜5、数字微镜阵列（Digital Micromirror Devices，DMD）6、第三透镜7、物镜8和位移台9。其中，介质3位于第一透镜2和第二透镜4之间的焦点位置，数字微镜阵列6位于第三透镜7的前焦面位置，物镜8的焦面位于位移台9所承载的样品内。

本实施例中，飞秒激光光源1、第一透镜2、介质3和第二透镜4组成了宽带飞秒激光产生模块，用于获得超宽带的高功率飞秒激光；其中第一透镜2和第二透镜4组成了4F系统。反射镜5和数字微镜阵列6组成了空间光调制模块，用于对超宽带的高功率飞秒激光进行调制。第三透镜7、物镜8和位移台9组成了时空同步聚焦刻写模块，用于将空间光调制模块调制后的光场投影到物镜8的焦面以实现大面积、高精度的任意复杂结构三维刻写；其中第三透镜7和物镜8组成了成像系统，位移台9用于承载样品。

应当理解的是，4F系统是领域内对透镜如何排布的一种常规表示方法，表示两个透镜的焦面重合，即第一透镜2的后焦面和第二透镜4的前焦面重合。

具体地，首先采用飞秒激光光源1产生的高功率飞秒激光与介质3的非线性作用得到超宽带的高功率飞秒激光，再通过数字微镜阵列6对该光束进行调制，调制后的光场投影到物镜8的焦面，物镜8的焦面位于位移台9所承载的样品内，再结合时空同步聚焦技术对轴向分辨率进行提升，实现大面积、高精度的任意复杂结构三维刻写。

本实施例中，该直写装置的光学路径具体包括：飞秒激光光源1生成入射的高功率飞秒激光，飞秒激光经过第一透镜2聚焦到介质3的内部，再经过介质3后生成超宽带的高功率飞秒激光，该超宽带的高功率飞秒激光经过第二透镜4准直成平行光束，该平行光束入射到反射镜5上，经过反射镜5将该平行光束反射到数字微镜阵列6上，通过数字微镜阵列6对光束进行调制得到目标强度分布的光斑，该光斑从数字微镜阵列6出射，并随后依次经过第三透镜7和物镜8，将数字微镜阵列6表面的光场成像到物镜8的焦面，结合位移台9的高速扫描，实现对样品的刻写。

进一步地，飞秒激光光源1采用商业化光源如商业化飞秒放大器输出的高功率激光，如光谱物理一体化飞秒放大器（Spectra Physics Solstice Ace）、口径10-11mm、具有30nm以内带宽的高功率激光。

进一步地，介质3包括但不限于：晶体和光纤等。应当理解的是，具体采用介质3以飞秒激光光源1能产生更高强度的非线性效应、更宽的调制光谱和更高的能量效率为准，如氟化钡（BaF2）晶体、钆镓石榴石（gadolinium gallium garnet，GGG）晶体等。

具体地，飞秒激光光源1输出高功率飞秒激光，由于介质3位于第一透镜2和第二透镜4之间的焦点位置，因此飞秒激光光源1输出的高功率飞秒激光经过第一透镜2聚焦到介质3的内部，如图2所示，通过飞秒激光在焦点位置的高峰值功率密度，使其在介质3中产生非线性作用，对飞秒激光光谱进行调制，产生超宽带的高功率飞秒激光，有效拓宽了飞秒激光的光谱宽度，极大丰富了波长成分。例如，当介质3选择为非线性晶体时，飞秒激光光源1输出的高功率飞秒激光经过第一透镜2聚焦到非线性晶体内部，调整晶体[100]轴和入射到非线性晶体上的飞秒激光之间的夹角，以优化非线性作用过程，使转换效率和出射的飞秒激光的光谱宽度达到最高，目前20%以上的转换效率一般都能实现，其功率足以支撑数字微镜阵列6的全幅面单次快速曝光。由于第一透镜2和第二透镜4组成了4F系统，使得介质3出射的超宽带的高功率飞秒激光经过第二透镜4后准直成平行光束，并通过调整第二透镜4和第一透镜2的焦距比实现飞秒激光的扩束，该焦距比的具体数值根据使用激光的功率和口径进行调节，具体以飞秒激光光斑实际需要在数字微镜阵列6表面覆盖的幅面为基准。

优选地，第二透镜4和第一透镜2的焦距比大于等于2:1，如此便可使得扩束后的飞秒激光的光斑口径足以覆盖数字微镜阵列6的大部分表面甚至全面覆盖。

进一步地，数字微镜阵列6的表面和物镜8的焦面平行，可以有效避免数字微镜阵列6的表面倾斜引入像差，影响时空同步聚焦效果和物镜8焦面的投影光场质量。

进一步地，反射镜5用于将宽带飞秒激光产生模块产生的超宽带的高功率飞秒激光以入射角为24°的方向入射到数字微镜阵列6，数字微镜阵列6的表面法线沿光轴，以确保数字微镜阵列6的表面光场和物镜8的焦面光场平行，同时可以避免不同波长的飞秒激光在数字微镜阵列6和物镜8的焦面间存在光程差，影响时空同步聚焦效果。采用反射镜5导光，使产生的超宽带飞秒激光以24°入射数字微镜阵列6。

需要说明的是，宽带飞秒激光产生模块产生的宽带飞秒激光入射到反射镜5上，经过反射镜5反射到数字微镜阵列6，其中数字微镜阵列6的表面法线沿光轴，同时还要求数字微镜阵列6的表面和物镜8的焦面平行，故必须使得反射镜5反射的飞秒激光以入射角24°入射到数字微镜阵列6，即入射光与数字微镜阵列6的表面法线的夹角为24°，如此可以确保数字微镜阵列6的表面光场和物镜8的焦面光场平行，另一方面，在数字微镜阵列6确定好位置以后，根据该要求可以确定反射镜5的位置及其倾斜角度。

进一步地，数字微镜阵列6具有空间光调制功能，数字微镜阵列6由数百万个微镜周期性紧密排列而成，通过数字微镜阵列6内数百万个微镜的独立开关控制实现对入射光场的调控，以获取目标强度分布的光场。

具体地，当飞秒激光光斑入射到数字微镜阵列6表面上时，处于开状态的微镜沿光轴方向反射光斑，处于关状态的微镜不沿光轴方向反射光斑，通过独立控制各微镜的开状态和关状态，对覆盖在数字微镜阵列6上的光斑进行空间调制，以得到目标强度分布的光斑。

示例性地，以图3为例，将入射的圆形高斯型光斑调制成五角星结构光斑，由于数字微镜阵列6是由数百万个微镜周期性紧密排列而成，当入射的圆形高斯型光斑入射到数字微镜阵列6表面上时，处于开状态的微镜可沿光轴方向反射光斑，处于关状态的微镜无法沿光轴方向反射光斑，因此可通过独立控制各微镜的开状态和关状态，对覆盖其上的光斑形状进行空间调制，不同位置的光强不同，有些位置的光强大，有些位置的光强弱，最终得到目标强度分布的光斑，即沿光轴方向具有任意结构的光场分布，也就是图3所示的五角星结构光斑。

另外，由于数字微镜阵列6位于第三透镜7的前焦面位置，第三透镜7和物镜8组成了成像系统，通过该成像系统将数字微镜阵列6表面的调制光场投影到物镜8的焦面，再结合位移台9在三维空间的快速移动，实现任意复杂结构的大面积高通量快速刻写。

进一步地，数字微镜阵列6的数百万个微镜呈二维周期性分布，因此数字微镜阵列6同时具有二维衍射光栅特性，宽带飞秒激光入射到数字微镜阵列6时满足光栅衍射方程nλ=d(sinα+sinβ)，其中d为光栅常数，α为入射角，β为出射角，λ为激光波长，n为衍射级次，从数字微镜阵列6出射的宽度飞秒激光具有角色散，其不同波长的飞秒激光的出射角不同，不同波长的飞秒激光在空间分离。不同波长的飞秒激光经过第三透镜7后平行传输，再经过物镜8后汇聚在物镜8的焦面，实现时空同步聚焦。

具体地，数字微镜阵列6由数百万个二维周期分布的相同微镜组成，因此数字微镜阵列6本身具有二维衍射光栅特性。通过非线性作用产生的宽带飞秒激光具有极丰富的波长成分，宽带飞秒激光入射到数字微镜阵列6时满足光栅衍射方程nλ=d(sinα+sinβ)。如图4所示，不同波长成分（λ1、λ2、λ3...）的飞秒激光入射到数字微镜阵列6上的入射角α相同，光栅常数d取决于数字微镜阵列6内微镜排布的周期，衍射级次n取飞秒激光经过数字微镜阵列6的闪耀级次，因此对于不同波长成分（λ1、λ2、λ3...）的飞秒激光，其n和d均相同，出射角β随着激光波长λ的变化而变化，即从数字微镜阵列6出射的飞秒激光具有角色散，其不同波长的飞秒激光的出射角不同，不同波长的飞秒激光在空间分离，使得飞秒激光的功率密度大幅度降低。由于数字微镜阵列6位于第三透镜7的前焦面位置，因此从数字微镜阵列6以不同角度出射的不同波长成分（λ1、λ2、λ3...）的飞秒激光，在经过第三透镜7后所有波长成分的飞秒激光平行传输，并经过物镜8后重新汇聚在物镜8的焦面，即不同波长成分（λ1、λ2、λ3...）的飞秒激光最终以不同角度在物镜8的焦面实现重叠，实现时空同步聚焦。由于飞秒激光具有超宽带光谱，因此在焦面位置的激光功率密度达到最高，离焦面的功率密度急剧降低，即离焦面的距离越远，其功率密度越低，其不同波长成分的飞秒激光成为分离状态，使得飞秒激光强度在焦面附近的轴向梯度大幅度增加，大幅度提升了轴向分辨率，从而提升轴向刻写精度。

对于特定中心波长的飞秒激光，其时间带宽积（即时域脉宽和光谱宽度的乘积）一定。如图5所示，在物镜8的焦面上，各波长成分（λ1、λ2、λ3...）的飞秒激光重新在空间重叠，焦面上任一点的光谱宽度都恢复到入射数字微镜阵列6前的初始状态，具有最大光谱带宽，时域脉宽最小，功率密度最高，达到刻写的激光功率阈值；在远离物镜8的焦面，各波长成分的飞秒激光分离，且随着离焦距离的增大分离得越开，空间点的波长成分逐渐变少，即光谱宽度逐渐变小，空间点的脉宽变大，功率密度逐渐降低，使不足以达到刻写的功率阈值。在物镜8的焦面附近产生了更大的激光功率密度轴向分布梯度，有效增大了物镜8的焦面附近的激光功率密度轴向梯度，进而实现轴向分辨率的大幅度提升，实现大面积、高通量、高精度的快速曝光和刻写。

值得一提的是，本发明实施例还提供了一种直写方法，基于上述实施例中的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置实现。

本实施例中，该直写方法具体包括如下步骤：飞秒激光光源1生成入射的飞秒激光，飞秒激光经过第一透镜2后聚焦到介质3的内部，基于飞秒激光和介质3的非线性作用生成超宽带的飞秒激光，该超宽带的飞秒激光随后经过第二透镜4准直成平行光束，该平行光束入射到反射镜5上，经过反射镜5将该平行光束反射到数字微镜阵列6上，通过数字微镜阵列6对光束进行调制得到目标强度分布的光斑，该光斑从数字微镜阵列6出射，并随后依次经过第三透镜7和物镜8组成的成像系统，将数字微镜阵列6表面的光场成像到物镜8的焦面，同时结合位移台9的高速扫描，以使光场依次扫描位移台9所承载样品的不同位置，实现对样品的直写。

进一步地，基于飞秒激光和介质3的非线性作用生成超宽带的飞秒激光的原理，具体包括：飞秒激光经过第一透镜2后将该准直光束聚焦，介质3位于第一透镜2的焦点位置，通过飞秒激光在焦点位置的高峰值功率密度，使其在介质3中产生非线性作用，对飞秒激光光谱进行调制，生成超宽带的飞秒激光；并通过调整第二透镜4和第一透镜2的焦距比实现对飞秒激光的扩束，以使扩束后的飞秒激光覆盖数字微镜阵列6的表面。

本发明相比于传统飞秒激光刻写手段，在物镜8焦面附近产生了更大的激光功率密度轴向分布梯度，进而实现轴向分辨率的提升。本发明通过拓宽飞秒激光的光谱宽度，极大丰富波长成分，可进一步增大物镜8焦面附近的激光功率密度轴向梯度，进而大幅度提升轴向分辨率，实现大面积、高通量、高精度的快速曝光和刻写。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，按光前进方向依次包括飞秒激光光源（1）、第一透镜（2）、介质（3）、第二透镜（4）、反射镜（5）、数字微镜阵列（6）、第三透镜（7）、物镜（8）和位移台（9），其中，所述介质（3）位于所述第一透镜（2）和所述第二透镜（4）之间的焦点位置，所述数字微镜阵列（6）位于所述第三透镜（7）的前焦面位置，所述物镜（8）的焦面位于所述位移台（9）所承载的样品内；

该直写装置的光学路径具体包括：所述飞秒激光光源（1）生成入射的飞秒激光，飞秒激光经过所述第一透镜（2）聚焦到所述介质（3）的内部，再经过所述介质（3）后生成宽带飞秒激光，该宽带飞秒激光经过所述第二透镜（4）准直成平行光束，该平行光束入射到所述反射镜（5）上，经过所述反射镜（5）将该平行光束反射到所述数字微镜阵列（6）上，通过所述数字微镜阵列（6）对光束进行调制得到目标强度分布的光斑，该光斑从所述数字微镜阵列（6）出射，并随后依次经过所述第三透镜（7）和所述物镜（8），将所述数字微镜阵列（6）表面的光场成像到所述物镜（8）的焦面，结合所述位移台（9）的高速扫描，实现对样品的刻写。

2.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述介质（3）包括晶体和光纤。

3.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述第二透镜（4）和所述第一透镜（2）的焦距比根据使用激光的功率和口径进行调节。

4.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述数字微镜阵列（6）的表面和所述物镜（8）的焦面平行。

5.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述反射镜（5）用于将宽带飞秒激光以入射角为24°的方向入射到所述数字微镜阵列（6），所述数字微镜阵列（6）的表面法线沿光轴，以确保所述数字微镜阵列（6）的表面光场和所述物镜（8）的焦面光场平行。

6.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述数字微镜阵列（6）具有空间光调制功能，所述数字微镜阵列（6）由微镜周期性紧密排列而成，通过所述数字微镜阵列（6）内微镜的独立开关控制实现对入射光场的调控，以获取目标强度分布的光场。

7.根据权利要求6所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述通过所述数字微镜阵列（6）内微镜的独立开关控制实现对入射光场的调控，具体包括：

当飞秒激光光斑入射到所述数字微镜阵列（6）表面上时，处于开状态的微镜沿光轴方向反射光斑，处于关状态的微镜不沿光轴方向反射光斑，通过独立控制各微镜的开状态和关状态，对覆盖在所述数字微镜阵列（6）上的光斑进行空间调制，获得目标强度分布的光斑。

8.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述数字微镜阵列（6）的多个微镜呈二维周期性分布，所述数字微镜阵列（6）具有二维衍射光栅特性，宽带飞秒激光入射到所述数字微镜阵列（6）时满足光栅衍射方程nλ=d(sinα+sinβ)，其中d为光栅常数，α为入射角，β为出射角，λ为激光波长，n为衍射级次，从所述数字微镜阵列（6）出射的宽度飞秒激光具有角色散，其不同波长的飞秒激光的出射角不同，不同波长的飞秒激光在空间分离；不同波长的飞秒激光经过所述第三透镜（7）后平行传输，再经过所述物镜（8）后汇聚在所述物镜（8）的焦面，实现时空同步聚焦。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置的直写方法，其特征在于，具体包括：所述飞秒激光光源（1）生成入射的飞秒激光，飞秒激光经过所述第一透镜（2）后聚焦到所述介质（3）的内部，基于飞秒激光和所述介质（3）的非线性作用生成宽带飞秒激光，该宽带飞秒激光随后经过所述第二透镜（4）准直成平行光束，该平行光束入射到所述反射镜（5）上，经过所述反射镜（5）将该平行光束反射到所述数字微镜阵列（6）上，通过所述数字微镜阵列（6）对光束进行调制得到目标强度分布的光斑，该光斑从所述数字微镜阵列（6）出射，并随后依次经过所述第三透镜（7）和所述物镜（8）组成的成像系统，将所述数字微镜阵列（6）表面的光场成像到所述物镜（8）的焦面，同时结合所述位移台（9）的高速扫描，以使光场依次扫描所述位移台（9）所承载样品的不同位置，实现对样品的直写。

10.根据权利要求9所述的直写方法，其特征在于，所述基于飞秒激光和所述介质（3）的非线性作用生成宽带飞秒激光的原理，具体包括：

飞秒激光经过所述第一透镜（2）后将该准直光束聚焦，所述介质（3）位于所述第一透镜（2）的焦点位置，通过飞秒激光在焦点位置的高峰值功率密度，使其在所述介质（3）中产生非线性作用，对飞秒激光光谱进行调制，生成宽带飞秒激光；并通过调整所述第二透镜（4）和所述第一透镜（2）的焦距比实现对飞秒激光的扩束，以使扩束后的飞秒激光覆盖所述数字微镜阵列（6）的表面。