CN117930600A - 基于dmd实现双光束时空调制及扫描的打印方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印方法及系统。该系统将单个DMD分为两个半区实现对两束窄带激光的独立高速调制，并利用二值全息术实现对其衍射级次的三维随机扫描及精确对准。进一步的，本发明还可以在空间域和时间域对两束激光进行任意调制，以适用不同曝光条件的刻写介质。通过匹配物镜的数值孔径和双光束在物镜后孔阑的距离，两束激光在物镜下垂直相交，从而实现更优的等效点扩散函数，并达到接近1：1的体素纵横比。该系统具有高灵活度，高稳定性，低复杂度和低成本的特点，适用于高通量的三维超分辨打印领域。
Description
技术领域
本发明属于微纳精密制造领域及光学仪器设计领域，具体地，涉及一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印方法及系统。
背景技术
在微纳三维制造领域，传统的单光束直写刻写技术往往存在不同方面的短板。例如，单束连续光引发单光子聚合反应时往往缺乏三维刻写的能力；飞秒激光引发的多光子聚合效应实现了单光束的三维刻写，但具有极高的光源成本，较差的轴向分辨率；同时不经倍频的飞秒激光波长通常在近红外区，致使其点扩散函数较大，难以实现亚百纳米尺度的高灵活度刻写。
利用双光束曝光进行刻写是同时解决上述短板有效方法。文献[OpticalMaterials Express, 2011, 1(4): 614-624]首次提出了一种基于受激发射损耗（STED）的双光束刻写光刻方案，其光刻胶可以被一路空心光斑抑制聚合反应，并通过另一路实心光斑刻写未被抑制的部分，从而实现超分辨的三维刻写。尽管该技术展示的仍是基于飞秒激光的双光束刻写，但通过三维暗斑的生成技术，其可被应用在基于连续光的单光子刻写中，实现三维刻写。文献[Nature, 2020, 588(7839): 620-624]通过两束连续光的交叉曝光实现了高通量的光片三维打印，其中一束375 nm激光以光片的形式侧面投射至光刻胶内，将引发剂激发到活性态，另一束宽带非相干光用投影仪正投影至光片处，引发聚合反应。该技术是双波长曝光在大尺度三维打印中的典型应用，理论上能够被进一步应用于微纳三维制造。文献[Nature Photonics, 2021, 15(12): 932-938]首次报道了利用405 nm激光的双步曝光实现可媲美双光子聚合的三维打印能力。结合高通量的双光束微纳刻写系统，该刻写介质体系也具有极高的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印方法及系统。本发明通过单DMD对两路激光光束进行空间域及时间域的调制，使双光束实现高通量的随机扫描以及对准，同时利用大数值孔径的物镜让双光束实现垂直相交，实现高质量的等效点扩散函数，从而进一步实现三维超分辨打印。
本发明的具体技术方案如下：一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印方法，将第一光束和第二光束分别入射到数字微镜阵列的两个分区，经过衍射后垂直于数字微镜阵列出射；随后经过傅里叶透镜使第一光束和第二光束在空间滤波器所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器滤去多余级次后；然后经过管透镜使第一光束和第二光束平行入射至物镜的后孔阑两侧，再经过物镜分别聚焦至刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
进一步地，所述数字微镜阵列上加载振幅调制的二值全息图，从而使扩束准直后的激光光束产生灵活可调的衍射级次；
第一光束和第二光束垂直于数字微镜阵列出射由入射角决定，入射角满足方程：；其中，/>为数字微镜阵列像素的对角线方向周期，/>为闪耀级次，/>为激光的波长。
进一步地，所述第一光束和第二光束分别入射至数字微镜阵列的两个互不重合的分区，并在两个分区分别加载适用于第一光束和第二光束波长的二值全息图，使两光束在其傅里叶面的衍射级次在空间中对准；
双光束衍射级次强度的空间分布应用全息相位回溯迭代算法进行调整，实现任意的空间光强分布。
进一步地，根据被刻写介质的不同特征，对所述第一光束和第二光束的调制在时间域和空间域上进行相应设计：
所述第一光束和第二光束的衍射级次包括完全重合的图案；还包括对准但不完全重合的图案，用以刻写同时被两个衍射图样所定义的特征；
所述第一光束和第二光束在时间上错开，实现双步曝光的刻写需求；其中，第一束光将刻写介质的引发剂电子跃迁至中间态，随后用另一束光使其被完全激发引发聚合反应。
进一步地，通过调节物镜入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜以实现双光束在物镜下相交角度垂直。
本发明还提供了一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印系统，包括第一窄带激光源，第二窄带激光源，第一扩束器，第二扩束器，第一光场调制器，第二光场调制器，第一反射镜，第二反射镜，数字微镜阵列，傅里叶透镜，空间滤波器，管透镜，第三反射镜，物镜，位移台；所述数字微镜阵列至少有两个分区；所述第一窄带激光源发出第一光束，经过第一扩束器扩束，随后经过第一光场调制器调制成所需的光场模式，再经过第一反射镜以调整入射角入射至数字微镜阵列的一个分区；所述第二窄带激光源发出第二光束，经过第二扩束器扩束，随后经过第二光场调制器调制成所需的光场模式，再经过第二反射镜以调整入射角入射至数字微镜阵列的另一个分区，所述第一光束和第二光束经过衍射后垂直于数字微镜阵列出射；接着经过傅里叶透镜使第一光束和第二光束在空间滤波器所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器滤去多余级次后，然后经过管透镜使第一光束和第二光束平行并经过第三反射镜入射至物镜的后孔阑两侧，再经过物镜分别聚焦至位移台上的刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
进一步地，所述第一光场调制器和第二光场调制器均用于激光的空间光场和相位分布；所述第一光场调制器和第二光场调制器可以不作调制。
进一步地，所述数字微镜阵列上加载振幅调制的二值全息图，从而使扩束准直后的激光光束产生灵活可调的衍射级次；
所述入射角满足方程：/>；其中，/>为数字微镜阵列像素的对角线方向周期，/>为闪耀级次，/>为激光的波长。
进一步地，还包括控制主机，信号控制器，第一光开关和第二光开关；所述第一光开关设置在所述第一窄带激光源和第一扩束器之间；所述第二光开关设置在所述第二窄带激光源和第二扩束器之间；所述控制主机对所述信号控制器、数字微镜阵列和位移台进行自动化编程，并通过所述信号控制器对所述第一光开关、第二光开关、数字微镜阵列和位移台进行硬件同步。
进一步地，通过调节物镜入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜以实现双光束在物镜下相交角度垂直。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、得益于基于DMD（数字微镜阵列）的二值全息术，本发明中的系统具有调制速度快、灵活度高、稳定性高、复杂度低和成本低的优势，具有高商业化潜力；
2、得益于单DMD对双光束的同步调制，本发明中的系统装置紧凑，双光束的时间和空间耦合度高，刻写通量高（高达32.5kHz），适用于三维纳米结构的高速制备；
3、得益于双光束垂直相交，本发明的有效点扩散函数具有接近1：1的体素纵横比，从而能够克服传统光刻方案的轴向精度较差问题，实现对纳米结构的三维超分辨刻写。
附图说明
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。
图1为本发明基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印系统示意图；
图2为本发明中DMD二值全息术调制激光的原理示意图；
图3为本发明中物镜下双光束的衍射级次垂直相交原理示意图；
图4为本发明中生成3×3多焦点阵列的过程示意图；其中图（a）为DMD加载的二值全息图，图（b）为经DMD调制后激光在其傅里叶面的衍射级次示意图，其中图（b）中的左图白色框内黑色区域代表空间滤波器的一种滤波方法，图（b）中的右图虚线框内白色亮斑代表所使用的衍射级次。
图中，1-控制主机，2-信号控制器，3-第一窄带激光源，4-第二窄带激光源，5-第一光开关，6-第二光开关，7-第一扩束器，8-第二扩束器，9-第一光场调制器，10-第二光场调制器，11-第一反射镜，12-第二反射镜，13-数字微镜阵列，14-傅里叶透镜，15-空间滤波器，16-管透镜，17-第三反射，18-物镜，19-位移台。
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，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供了一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印方法，将第一光束和第二光束分别入射到数字微镜阵列13的两个分区，经过衍射后平行出射；随后经过傅里叶透镜14使第一光束和第二光束在空间滤波器15所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器15滤去多余级次后；然后经过管透镜16使第一光束和第二光束平行入射至物镜18的后孔阑两侧，再经过物镜18分别聚焦至刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列13上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
具体的，数字微镜阵列13上加载振幅调制的二值全息图，从而使扩束准直后的激光光束产生灵活可调的衍射级次；同时数字微镜阵列13的像素分布呈一个二维的闪耀光栅，当第一光束和第二光束垂直于数字微镜阵列13出射时，入射角满足方程：/>；其中，/>为数字微镜阵列13像素的对角线方向周期，/>为闪耀级次，/>为激光的波长。
具体的，所述第一光束和第二光束分别入射至数字微镜阵列的两个互不重合的分区，并在两个分区分别加载适用于第一光束和第二光束波长的二值全息图，使两光束在其傅里叶面的衍射级次在空间中对准；
双光束衍射级次强度的空间分布均可以应用全息相位回溯迭代算法进行调整，实现任意的空间光强分布。当衍射级次图案为多焦点时，可以使每个焦点具有相同的强度；其他的空间光强调整此处不再一一赘述。
具体的，根据被刻写介质的不同特征，对所述的第一光束和第二光束的调制可以在时间域和空间域上进行相应设计，实现高灵活度的刻写方案。第一光束和第二光束的衍射级次可以是完全重合的图案，如多焦点阵列；也可以是对准但不完全重合的图案，用以刻写同时被两个衍射图样所定义的特征，如对准的多焦点阵列和暗斑阵列；两束光也可以在时间上错开，实现双步曝光的刻写需求，如用第一束光将刻写介质的引发剂电子跃迁至中间态，随后用另一束光使其被完全激发引发聚合反应。
具体的，所述的数字微镜阵列13加载全息图时，其傅里叶面同时存在无法调制的主级次和刻写所需的可灵活调整图案的衍射级次，需用一个空间滤波器15在其傅里叶面处进行空间滤波，具体方式是遮挡住不需使用的衍射级次。
具体的，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案是通过调节物镜18入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜18来实现的。激光聚焦系统通常在轴向上有最差的分辨率，通过双光束的垂直相交，系统的有效点扩散函数为两光束点扩散函数的空间交集，从而实现高质量的体素纵横比。进一步通过匹配刻写介质的阈值和曝光剂量，能够实现三维超分辨刻写。
本发明还提供了一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印系统，包括第一窄带激光源3，第二窄带激光源4，第一扩束器7，第二扩束器8，第一反射镜11，第二反射镜12，数字微镜阵列13，傅里叶透镜14，空间滤波器15，管透镜16，第三反射镜17，物镜18，位移台19；所述数字微镜阵列13至少有两个分区；所述第一窄带激光源3发出第一光束，经过第一扩束器7扩束，再经过第一反射镜11以调整入射角入射至数字微镜阵列13的一个分区；所述第二窄带激光源4发出第二光束，经过第二扩束器8扩束，再经过第二反射镜12以调整入射角入射至数字微镜阵列13的另一个分区，所述第一光束和第二光束经过衍射后垂直于数字微镜阵列13出射；接着经过傅里叶透镜14使第一光束和第二光束在空间滤波器15所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器15滤去多余级次后，然后经过管透镜16使第一光束和第二光束平行并经过第三反射镜17入射至物镜18的后孔阑两侧，再经过物镜18分别聚焦至位移台19上的刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列13上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
所述第一光束和第二光束经过衍射后垂直于数字微镜阵列13出射、第一光束和第二光束的调制在时间域和空间域上进行设计以及在物镜下形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案的实现，具体详见上述方法中对应的实现过程，在此不再赘述。
具体的，第一光束和第二光束衍射级次的光场分布分别由第一光场调制器9和第二光场调制器10及数字微镜阵列13上加载的图案共同决定。其中，第一光场调制器9和第二光场调制器10均用于调节对应的激光的空间光场和相位分布，包含但不仅限于平顶光、涡旋光等。当无特殊要求时，第一光场调制器9和第二光场调制器10也可以不作调制。数字微镜阵列13利用加载的二值全息图对光场调制器调制后的光场作进一步高灵活度的调制，在三维空间中实现随机扫描。
在一实施例中，在所述第一扩束器7和第一反射镜11之间设置第一光场调制器9，在所述第二扩束器8和第二反射镜12之间设置第二光场调制器10，所述第一光场调制器9和第二光场调制器10均用于调节光斑的模式。
在一实施例中，还包括控制主机1，信号控制器2，第一光开关5和第二光开关6；所述第一光开关5设置在所述第一窄带激光源3和第一扩束器7之间；所述第二光开关6设置在所述第二窄带激光源4和第二扩束器8之间；所述控制主机1对所述信号控制器2、数字微镜阵列13和位移台19进行自动化编程，并通过所述信号控制器2对所述第一光开关5、第二光开关6、数字微镜阵列13和位移台19进行硬件同步。
实施例1：如图1所示，本发明实施例提供了一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印系统，包括：控制主机1，信号控制器2，第一窄带激光源3，第二窄带激光源4，第一光开关5，第二光开关6，第一扩束器7，第二扩束器8，第一光场调制器9，第二光场调制器10，第一反射镜11，第二反射镜12，DMD13，傅里叶透镜14，空间滤波器15，管透镜16，第三反射镜17，物镜18，位移台19。
第一窄带激光源3为405 nm连续激光（第一光束），第二窄带激光源4为532 nm连续激光（第二光束）。本实施例中数字微镜阵列13采用型号DLP650TE作为两束激光的调控元件（靶面尺寸14.6 mm×8.2 mm，微镜倾角±12 °，像素尺寸7.6 μm）。第一光束和第二光束首先分别经过第一光开关5和第二光开关6选通后，再分别使用第一扩束器7和第二扩束器8将两束激光的光斑直径扩束至6 mm左右，以尽可能填满数字微镜阵列13的两个半区，同时保持一定的空间距离。为使调制后的两束激光均垂直数字微镜阵列13出射，根据衍射角计算公式可得：对于405 nm光源入射角应为22.14°（m = 5），对于532 nm光源入射角应为23.33°（m = 4），其中/>。数字微镜阵列13上加载用于生成多焦点的二值全息图，如图4中的（a）所示。两束垂直出射的激光经同一个傅里叶透镜14聚焦为两幅对准的衍射图案，随后被一个方形的空间滤波器15取出所需的衍射级次，如图4中的（b）所示，虚线框内白色点阵是取出的衍射级次，白色实线线框内黑色区域是挡住的级次。随后，双光束进一步通过200 mm焦距的管透镜16和反射镜17平行落射至物镜18的后孔阑处。经过物镜18后，双光束的衍射级次在其焦面附近再一次对准，并且每个焦点均由双光束两两垂直相交得到，如图3所示。
其中，双光束两两垂直相交，通过调节物镜入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜来实现；具体的，物镜数值孔径NA=1.4，折射率n=1.5，其最大孔径角的一半θ=arcsin(NA/n)=68.96°,光束在物镜入瞳面的落点位于最大通光口径位置时，可在物镜下得到最大孔径角，调节光束在物镜入瞳面相对于光轴的距离为0-最大通光口径，可实现θ变化范围0-68.96°，调节两束光在物镜入瞳面相对于物镜光轴的距离，使θ均为45°，即实现双光束夹角90°。进行光刻时，405 nm的激光用于活化刻写介质内的引发剂，532 nm激光用于进一步引发聚合反应。由于双光束同时作用的区域才能聚合，整套三维打印系统的有效点扩散函数是双光束点扩散函数的空间交集。由于双光束垂直相交，其有效点扩散函数的体素纵横比接近1：1。通过DMD13上加载并切换不同的二值全息图，双光束的衍射级次在刻写介质内进行高灵活度的随机扫描。通过精确匹配刻写介质的阈值和双光束的功率及曝光时间，实现对超越衍射极限的三维结构的稳定刻写。
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。
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。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。
Claims (10)
1.一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印方法，其特征在于，将第一光束和第二光束分别入射到数字微镜阵列的两个分区，经过衍射后垂直于数字微镜阵列出射；随后经过傅里叶透镜使第一光束和第二光束在空间滤波器所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器滤去多余级次后；然后经过管透镜使第一光束和第二光束平行入射至物镜的后孔阑两侧，再经过物镜分别聚焦至刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字微镜阵列上加载振幅调制的二值全息图，从而使扩束准直后的激光光束产生灵活可调的衍射级次；
第一光束和第二光束垂直于数字微镜阵列出射由入射角决定，入射角满足方程：；其中，/>为数字微镜阵列像素的对角线方向周期，/>为闪耀级次，/>为激光的波长。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一光束和第二光束分别入射至数字微镜阵列的两个互不重合的分区，并在两个分区分别加载适用于第一光束和第二光束波长的二值全息图，使两光束在其傅里叶面的衍射级次在空间中对准；
双光束衍射级次强度的空间分布应用全息相位回溯迭代算法进行调整，实现任意的空间光强分布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据被刻写介质的不同特征，对所述第一光束和第二光束的调制在时间域和空间域上进行相应设计：
所述第一光束和第二光束的衍射级次包括完全重合的图案；还包括对准但不完全重合的图案，用以刻写同时被两个衍射图样所定义的特征；
所述第一光束和第二光束在时间上错开，实现双步曝光的刻写需求；其中，第一束光将刻写介质的引发剂电子跃迁至中间态，随后用另一束光使其被完全激发引发聚合反应。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调节物镜入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜以实现双光束在物镜下相交角度垂直。
6.一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印系统，其特征在于，包括第一窄带激光源（3），第二窄带激光源（4），第一扩束器（7），第二扩束器（8），第一光场调制器（9），第二光场调制器（10），第一反射镜（11），第二反射镜（12），数字微镜阵列（13），傅里叶透镜（14），空间滤波器（15），管透镜（16），第三反射镜（17），物镜（18），位移台（19）；所述数字微镜阵列（13）至少有两个分区；所述第一窄带激光源（3）发出第一光束，经过第一扩束器（7）扩束，随后经过第一光场调制器（9）调制成所需的光场模式，再经过第一反射镜（11）以调整入射角入射至数字微镜阵列（13）的一个分区；所述第二窄带激光源（4）发出第二光束，经过第二扩束器（8）扩束，随后经过第二光场调制器（10）调制成所需的光场模式，再经过第二反射镜（12）以调整入射角入射至数字微镜阵列（13）的另一个分区，所述第一光束和第二光束经过衍射后垂直于数字微镜阵列（13）出射；接着经过傅里叶透镜（14）使第一光束和第二光束在空间滤波器（15）所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器（15）滤去多余级次后，然后经过管透镜（16）使第一光束和第二光束平行并经过第三反射镜（17）入射至物镜（18）的后孔阑两侧，再经过物镜（18）分别聚焦至位移台（19）上的刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列（13）上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一光场调制器（9）和第二光场调制器（10）均用于激光的空间光场和相位分布；所述第一光场调制器（9）和第二光场调制器（10）可以不作调制。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数字微镜阵列（13）上加载振幅调制的二值全息图，从而使扩束准直后的激光光束产生灵活可调的衍射级次；
所述入射角满足方程：/>；其中，/>为数字微镜阵列（13）像素的对角线方向周期，/>为闪耀级次，/>为激光的波长。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括控制主机（1），信号控制器（2），第一光开关（5）和第二光开关（6）；所述第一光开关（5）设置在所述第一窄带激光源（3）和第一扩束器（7）之间；所述第二光开关（6）设置在所述第二窄带激光源（4）和第二扩束器（8）之间；所述控制主机（1）对所述信号控制器（2）、数字微镜阵列（13）和位移台（19）进行自动化编程，并通过所述信号控制器（2）对所述第一光开关（5）、第二光开关（6）、数字微镜阵列（13）和位移台（19）进行硬件同步。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，通过调节物镜（18）入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜（18）以实现双光束在物镜（18）下相交角度垂直。
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