一种基于色散波效应的波长可调谐高重频飞秒激光器及双光子光刻系统

本发明属于激光应用领域，具体涉及一种基于色散波效应的波长可调谐高重频飞秒激光器及双光子光刻系统。

背景技术：

1、双光子光刻利用激光在材料中的双光子吸收效应，使光引发的反应仅在焦点内发生，从而实现选择性固化。该增材制造技术分辨率高，特征尺寸甚至可小于100 nm，且可用于悬垂、镂空、互锁等复杂三维微纳结构的增材制造。

2、传统的双光子光刻多依赖于780 nm或532 nm等采用单一固定波长的激光光源（一种快速制备跨尺度三维微结构的方法，公开号cn111913364a）。然而，不同材料的吸收率、透过率等光学性质都存在差异，不同工艺对激光的波长也有不同要求。因此，单一固定波长激光光源存在材料和工艺适应性差等问题，也制约了与双光子光刻技术适配的新材料的开发。打印精度、加工效率的提升以及材料和工艺兼容性的拓展，都对激光光源的波长可调谐性提出了更高的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于色散波效应的波长可调谐高重频飞秒激光器及双光子光刻系统，可通过调谐波长实现对不同材料的适应性双光子光刻。

2、本发明利用光子晶体光纤的高非线性特性。通过改变孤子与色散波之间的相位匹配条件，使输出激光产生频移，从而实现对波长的连续调谐。其具体原理如下：

3、通过提高入射光子晶体光纤的激光峰值功率，光纤中形成的基阶光孤子峰值功率也将提高，根据孤子特性其脉宽相应变窄，二者的综合效应使得孤子产生的非线性相移显著增强，使原有的相位匹配平衡关系被破坏。在色散波所在的正常色散区，传播常数随频率升高而增加。为重建平衡，新的相位匹配点会倾向于向更高频率方向移动。这一动态过程使得色散波波长随入射光子晶体光纤的激光功率的提高而发生蓝移。反之亦然。

4、对激光脉冲序列进行调制，可调节脉冲激光的峰值功率，实现在不改变输入光子晶体光纤的激光平均功率的情况下，改变光子晶体光纤输出的激光波长。同时，协同调节输入光子晶体光纤的脉冲激光的脉冲序列和平均功率，可在不改变光子晶体光纤输出的激光波长的情况下，调节光子晶体光纤输出的激光功率。

5、本发明至少通过如下技术方案之一实现。

6、一种基于色散波效应的波长可调谐高重频飞秒激光器，包括依次连接的高重频飞秒激光种子源、脉冲调制器、脉冲放大器、倍频模块及波长调谐模块：高重频飞秒激光种子源用于输出脉冲激光，脉冲调制器用于调节脉冲激光的峰值功率，脉冲放大器用于放大脉冲激光的功率，倍频模块用于对激光进行倍频，波长调谐模块用于激发不同波长的色散波并滤波输出目标波长的激光。

7、其中，所述高重频飞秒激光种子源输出特定波长的脉冲激光，先设置脉冲调制器的占空比，调节脉冲激光的峰值功率，再调节脉冲放大器对脉冲激光的功率进行放大，后由倍频模块对激光进行倍频并滤除基频光，最后通过控制终端调节脉冲放大器中主放大器的电流，调节输入波长调谐模块中光子晶体光纤的激光平均功率，激发不同波长的色散波，经滤波器滤除未发生频率变换的倍频光，输出波长在500-800 nm范围内连续可调的激光。

8、一种双光子光刻系统，包括飞秒激光器、空间光路、加工平台和控制终端；

9、飞秒激光器输出特定波长的飞秒激光，经空间光路传输至加工平台，对置于加工平台上的光刻胶进行加工；控制终端分别连接飞秒激光器、空间光路和加工平台，控制整个打印过程；

10、在打印前，控制终端通过软件将模型在水平方向上进行逐层切片，并生成每层切片的扫描轨迹；

11、在打印过程中，控制终端控制空间光路中的振镜和加工平台中的电控位移平台，确保激光光斑按照软件生成的扫描轨迹在样品内部移动；每层切片打印完成后，电控位移平台带动样品在垂直方向上移动设定的距离，再进行下一层切片打印，直至所有切片打印完成。

12、具体地，所述空间光路包括激光依次经过的振镜、扫描透镜、镜筒透镜、反射镜、二向色镜和物镜，用于传输脉冲激光、控制激光的方向并使激光聚焦至样品内：

13、其中，飞秒激光器输出脉冲激光至振镜，振镜根据控制终端生成的扫描轨迹控制激光进行扫描；扫描透镜对振镜出射的激光进行聚焦；镜筒透镜对焦点进行中继，延长激光传输的距离；脉冲激光经反射镜反射后穿过二向色镜入射物镜；物镜用于将激光聚焦至样品中需加工的位置；二向色镜同时反射监测打印过程的照明光。

14、具体地，所述加工平台包括电控位移平台，可在x、y、z方向上移动，用于承载样品并携带样品在x、y、z方向进行定位：

15、电控位移平台中的x轴和y轴分别控制样品台在两个正交的水平方向上移动，z轴控制样品台在垂直方向上移动；x轴、y轴、z轴两两之间的夹角均为90°；每完成一层切片的打印后，电控位移平台带动样品台垂直移动设定的距离，再进行下一层切片的打印。

16、具体地，所述控制终端与飞秒激光器、空间光路以及加工平台连接，用于全面控制打印流程，其功能如下：

17、所述控制终端，用于控制飞秒激光器中的高重频飞秒激光种子源和脉冲放大器，包括激光种子源和各放大器的开启、关闭以及电流调节；控制终端还控制脉冲调制器对脉冲进行调制。

18、协同调控所述脉冲调制器及所述脉冲放大器，可调节所述倍频模块输入波长调谐模块的脉冲激光的平均功率和峰值功率，实现对波长调谐模块输出的脉冲激光的波长和功率的分别调节。

19、所述控制终端还用于调节加工平台，确保激光光斑起始位置位于样品内部；并用于控制空间光路中振镜的偏转，确保激光光斑在样品内部按照软件生成的轨迹进行扫描；同时，控制所述加工平台中电控位移平台运动的轨迹，确保打印过程高精度定位。

20、进一步地，所述高重频飞秒激光种子源，重复频率≥1 ghz；

21、所述飞秒激光器中的波长调谐模块包括三维光纤调整架、光学支架、光纤夹具、光子晶体光纤、透镜、滤波器和衰减器。

22、倍频模块输出的倍频激光通过三维光纤调整架上的准直器耦合，随后进入光子晶体光纤，激发与入射光功率相关的特定波长的色散波后，输出到自由空间中，由透镜准直后，经滤波器滤除未发生频率变换的倍频光，由衰减器出射；光子晶体光纤两端通过光纤夹具固定在光学支架上；调节衰减器可调节输出光强。

23、选用的一种用于高效激发色散波的商用的光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的零色散波长短于入射光的波长，即倍频模块输出的倍频激光的波长，使所述入射光在所述光子晶体光纤的反常色散区中传输，通过调节入射光的峰值功率，进而通过孤子自频移效应与正常色散区实现相位匹配，精确激发目标波长的窄带色散波，而极力抑制其他波长成分的色散波，避免产生宽带光谱；

24、所述波长调谐模块输出的脉冲激光波长调谐范围为500-800 nm，光谱3 db带宽为≤1 nm，且波长连续可调，调谐精度≤1 nm。

25、相比于现有技术，本发明的优点在于：

26、输出波长连续可调，调谐范围为500-800 nm，可适配不同材料的最优双光子吸收波长，实现了打印精度、加工效率、材料和工艺兼容性的提升。该技术的核心优势在于单波段转换效率极高，能够将飞秒脉冲的能量高效地集中转换到深紫外、中红外的特定目标波段。

27、对于普通光刻胶完全不响应，但需要特定波长才能固化的特殊功能性材料，这种方案能提供强有力的“攻坚”光源，为特定新材料开发赋能。

28、当需要处理的材料对某一个最优波长特别敏感时，该方案能以最高效率完成加工，提升特定材料的加工效率。

29、输出的是单一目标波长，后续光学系统无需复杂的分光组件，可简化系统设计，为系统集成提供了便利。

30、本技术的高重频飞秒激光器与低重频激光器相比，具有以下优势：

31、在相同的平均功率下单脉冲能量更低，可有效避免光纤中高峰值功率激发的受激拉曼散射、受激布里渊散射等竞争非线性效应，使光子晶体光纤激发的色散波更加平滑，相干性更高，且时域背景噪声更低。

32、在相同的平均功率下单脉冲能量更低，能量以更为均匀的准连续形式注入波导，可使波导温度分布更均匀，峰值热负荷低，有效避免热透镜效应引起的相位失配和功率漂移，保证输出激光波长和功率的长期稳定性。

33、高重频激光的脉冲间隔极短，前一个脉冲激发产生的色散波会与后续的泵浦脉冲或孤子发生相干作用，利用这种关系，可以使色散波的产生与泵浦脉冲序列周期性共振，从而显著提高泵浦光到色散波的转换效率。