一种基于万束独立可控激光点阵产生的并行直写装置的制作方法

1.本发明属于微纳加工领域，更具体地，涉及一种基于万束激光点阵产生及独立控制的并行直写装置和方法。


背景技术：

2.双光子激光直写技术凭借其高分辨和真三维加工能力、低热影响性、加工材料广泛等特点，一直是三维微纳加工技术中的研究热点。随着激光直写技术走向产业应用，如何实现高精度的同时进行高速、复杂大面积刻写，是当今激光直写技术需要迫切解决的关键问题。
3.为有效提高激光直写效率，科研人员尝试从改善光学加工方法入手，即采用多束光进行并行直写，成倍提升加工速度。文献[opt. lett. 45, 4698-4701 (2020)]利用空间光调制器slm实现12个焦点进行飞秒双光子直写；文献[nature communications, 2019, 10(1)]利用高速数字微镜阵列dmd（22.7khz）产生位置独立可控的3个焦点进行并行加工，实现了当时最高的双光子直写速度。基于slm或dmd的并行光刻技术虽然能通过动态编码对各光束进行独立控制，但实现的光束阵列数少，在加工复杂结构时依然是限制加工速度的短板，尤其slm的刷新频率慢，进一步限制了刻写速度的提升。文献[advanced functional materials, 2020,30,1907795]利用衍射分光元件doe产生3
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3的飞秒激光刻写阵列，衍射光学元件虽然具有产生阵列点的潜力，但实现的阵列数少，且各焦点无法独立控制。基于微透镜阵列[laser & photonics reviews, 2020, 14]和干涉点阵[applied sciences, 2021, 11(14):6559]的并行加工方法能实现大面积的快速激光直写，但由于光斑无法单独控制，点阵强度一致性及子光斑质量等难以保证，因此只能加工单一重复结构，加工周期性结构的均匀性误差较大，且加工精度都在微米量级。
[0004]
综上，目前百束甚至千束级激光点阵难以实现独立调控，且其点阵强度一致性和子光斑质量随点阵子光斑数量的提升急剧恶化，难以应对复杂大面积三维结构的高通量加工需求。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于万束激光点阵产生及独立控制的并行直写装置和方法，该装置首先利用核心元件数字微镜阵列dmd和微透镜阵列mla产生千束独立可控的光斑阵列，并通过四个相同结构的光路产生四个千束点阵，调节四个点阵的空间位置，使其拼接形成万束独立可控的光斑阵列，可实现高均匀度真三维复杂微结构的高通量超分辨并行灵活加工。
[0006]
本发明的技术解决方案如下：一种基于万束独立可控激光点阵产生的并行直写装置，包含两路光，分别采用不同波长的飞秒激光源，即第一光源和第二光源，第一光源经过第一半波片和第一偏振分束器pbs 分为光束一和光束二，第二光源经过第二半波片和第二偏振分束器pbs 分为光束三
和光束四，四束光随后分别进入光路一、光路二、光路三和光路四，四个光路结构完全相同：包括按光前进方向依次设置的第一反射镜、数字微镜阵列dmd 、第一凸透镜、第二凸透镜、第二反射镜、微透镜阵列、第三反射镜、第四反射镜和第一套筒透镜，四个光路分别将四束光转化为千束独立可控的激光点阵，即点阵一、点阵二、点阵三和点阵四，点阵一和点阵二通过第三偏振分束器pbs 进行合束，合束后通过第二套筒透镜入射到第一二向色镜上，点阵三和点阵四通过第四偏振分束棱镜pbs 进行合束，合束后通过第三套筒透镜入射到第一二向色镜，第一二向色镜通过对点阵一和点阵二的反射以及对点阵三和点阵四的透射实现四个点阵的合束，四个点阵合束后再依次通过第四套筒透镜、第二二向色镜和物镜，并最终成像到物镜的焦面上拼接形成万束激光点阵，结合位移台的移动实现三维复杂结构的高通量刻写，产生的荧光依次经过物镜、第二二向色镜反射和第三凸透镜成像到ccd 上。
[0007]
作为优选，所述的第一光源和第二光源为波长仅相差几个纳米的两个飞秒光源，存在光刻胶使它们同时照射发生聚合反应，除波长差异外，两光源的脉宽、功率、重频、光斑口径等其他参数完全一致。
[0008]
作为优选，所述的第一半波片和第一偏振分束器pbs 将第一光源分为偏振方向互相垂直且能量相等的光束一和光束二，所述的第二半波片和第二偏振分束器pbs 将第二光源分为偏振方向互相垂直且能量相等的光束三和光束四。
[0009]
作为优选，所述的四个光路，其结构完全一致，都用于产生千束独立可控激光点阵，产生原理如下：光束经过第一反射镜调节光入射数字微镜阵列dmd的角度，使光垂直于数字微镜阵列dmd窗口出射，数字微镜阵列dmd用于对入射光斑进行振幅调制，具体为通过数字微镜阵列dmd 微镜开关控制对数字微镜阵列dmd像素进行分区，使划分成m
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n个子阵列，子阵列内的微镜处于开状态，各子阵列间的微镜处于关状态，无法沿所需方向反射出光，入射激光通过数字微镜阵列dmd的这种振幅调制后被划分成m
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n光斑阵列，一个子阵列对应一个子光斑，从数字微镜阵列dmd出射的m
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n光斑阵列依次经过第一凸透镜和第二凸透镜组成的4f系统、第二反射镜，成像到微透镜阵列mla 上，对数字微镜阵列dmd 微镜状态分布和成像系统进行合理设计，使入射到微透镜阵列mla 12的子光斑口径不大于微透镜阵列mla 微透镜尺寸，同时保证各子光斑的分布周期与微透镜阵列mla 各微透镜的周期基本一致，m
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n光斑阵列最终与微透镜阵列mla 的m
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n微透镜在空间上一一重合，并在微透镜阵列mla 焦平面上形成m
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n焦点阵列。
[0010]
作为优选，所述的数字微镜阵列dmd 包含m
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n个子阵列，每个子阵列包含m
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m个微镜，且对应一个子光斑，对m
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m个微镜进行独立“开”与“关”的状态切换，实现各子光斑的强度、开关及光斑能量分布的独立控制，其实现方式具体为：将m
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m个微镜全部切换到“关”状态，即实现相应子光斑的关闭；某子光斑相比于其他子光斑的强度过高，可关闭该子光斑所对应m
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m个微镜的部分外围微镜，单独降低其光斑能量；当子光斑本身的能量分布不均，可在m
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m个微镜中均匀地关闭光斑能量过大区域所对应的部分微镜，使子光斑该区域的能量降低，匀化该子光斑的能量分布。
[0011]
作为优选，所述的点阵一和点阵二通过第三偏振分束器pbs进行合束，合束后一起经过第二套筒透镜；点阵三和点阵四通过第四偏振分束器pb 进行合束，合束后一起经过第三套筒透镜；第一二向色镜对光源的波长反射，对光源2的波长透射；点阵一和点阵二所在光路的两个第一套筒透镜都分别和第二套筒透镜组成4f系统，使点阵一和点阵二合束并经
第一二向色镜反射后，成像到第四套筒透镜的前焦面；合束后的点阵三和点阵四经第一二向色镜透射再与点阵一和点阵二进行合束，点阵三和点阵四所在光路的两个第一套筒透镜都分别和第三套筒透镜组成4f系统，点阵三和点阵四分别通过该4f系统成像到第四套筒透镜的前焦面；最后通过第四套筒透镜和物镜组成的成像系统将第四套筒透镜前焦面的四个点阵都成像在物镜的焦面上。点阵一（三）和点阵二（四）除在偏振方向互相垂直外其他参数（如强度、周期、阵列尺寸等）完全相同，点阵一（点阵二）和点阵三（四）除波长相差几个纳米外其他参数（如强度、周期、阵列尺寸等）完全相同。
[0012]
作为优选，所述的第三反射镜和第四反射镜用于调节点阵的空间位置，使点阵二和点阵一在x方向上错开1/2个点阵周期，点阵三和点阵一在y方向错开1/2个点阵周期，点阵四和点阵一在x方向和y方向都错开1/2个点阵周期，最终四个点阵在物镜焦面上以上述空间分布方式拼接形成万束点阵，该点阵的周期为点阵一周期的1/2，且点阵各子光斑的强度、开关、能量分布独立可控。
[0013]
本发明的技术效果如下：本发明利用四个mla产生四个千束点阵，并通过空间上的拼接实现万束刻写阵列，且通过dmd实现点阵子光斑强度、开关和能量分布的独立控制，万束点阵的强度均匀性高，点阵子光斑可灵活开关，且光斑质量得到优化，用于刻写时具有加工通量高、任意复杂三维结构灵活刻写、刻写结构均匀性好、分辨率高等优点。
附图说明
[0014]
图1为本发明基于万束独立可控激光点阵产生的并行直写装置结构示意图；图2为本发明设计dmd像素子阵列分布实现其与mla微透镜进行空间匹配的示意图；图3为本发明通过整体开关dmd子阵列内的微镜实现点阵子光斑独立开关的示意图；图4为本发明通过关闭dmd子阵列外围部分微镜独立控制点阵子光斑强度的示意图；图5为本发明通过均匀地关闭与子光斑内高强度区域相对应的dmd子阵列内的部分微镜实现子光斑能量分布匀化的示意图；图6为本发明通过四个千束点阵空间拼接实现万束刻写阵列的示意图。
[0015]
图中，1-第一光源，2-第二光源，3-第一半波片，4-第一偏振分束器pbs，5-第二半波片，6-第二偏振分束器pbs，7-第一反射镜，8-数字微镜阵列dmd，9-第一凸透镜，10-第二凸透镜，11-第二反射镜，12-微透镜阵列mla，13-第三反射镜，14-第四反射镜，15-第一套筒透镜，16-第三偏振分束器pbs，17-第四偏振分束器pbs，18-第二套筒透镜，19-第三套筒透镜，20-第一二向色镜，21-第四套筒透镜，22-第二二向色镜，23-物镜，24-位移台，25-第三凸透镜，26-ccd。
[0016]
具体实施方式
[0017]
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
12含137
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77微透镜阵列，单个微透镜尺寸为150μm
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150μm；以微透镜阵列mla 12尺寸为模板设计数字微镜阵列dmd 8微镜状态分布，如图2所示，每个白色虚线框代表微透镜阵列mla 12一个微透镜，每个白黑方形区域都代表一个dmd微镜，白黑两色分别表示微镜处于“开”和“关”状态；设计数字微镜阵列dmd 8子微镜阵列为14
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14，子阵列中间m
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m=10
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10微镜处于开状态，外围两微镜处于关闭状态，数字微镜阵列dmd 8一个子阵列对应一个子光斑，理论上数字微镜阵列dmd 8像素最多可划分为137
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77个子阵列（1920/14=137.1，1080/14=77.1），即最多产生137
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77=10549个并行光斑，考虑到阵列边缘光斑的损耗，实际可用的子光斑数低于一万；由于数字微镜阵列dmd 8子阵列尺寸14
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10.8μm=151.2μm，与mla 12微透镜尺寸有1.2μm的偏差（数字微镜阵列dmd 8和微透镜阵列mla 12之间采用1：1成像关系），如以子阵列周期性排列方式设计数字微镜阵列dmd 8微镜状态分布，会出现子光斑覆盖微透镜阵列mla 12两个微透镜的情况，无法使各子光斑被限制在微透镜阵列mla 12各微透镜内。可参照微透镜阵列mla 12模板，逐步微调dmd 8各子阵列的位置分布及阵列间距，使dmd 8各子阵列分别落在微透镜阵列mla 12各微透镜内，最终设计实现dmd 8千级子阵列和mla 12各微透镜的精确匹配。
[0022]
（4） 通过数字微镜阵列dmd 8实现对微透镜阵列mla 12焦点阵列子光斑的独立调控，包括独立开关、强度调控及子光斑能量分布匀化，具体方式为：数字微镜阵列dmd 8出射的光斑阵列与微透镜阵列mla 12的各微透镜在空间上匹配后，通过关闭数字微镜阵列dmd 8某子阵列的m
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m微镜来关闭与之对应的微透镜阵列mla 12子焦点，如图3所示；当某子焦点相比于其他子焦点的强度过高，可关闭该子焦点所对应数字微镜阵列dmd 8子阵列的m
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m个微镜的部分外围微镜，降低其光斑能量，如图4所示；当子焦点本身的能量分布不均，可在所对应数字微镜阵列dmd 8子阵列的m
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m个微镜中均匀地关闭光斑能量过大区域所对应的部分微镜，使子焦点该区域的能量降低，匀化该子光斑的能量分布，如图5所示。
[0023]
（5） 分别从光路一和光路二出射的点阵一和点阵二通过第三偏振分束器pbs 16进行合束，合束后一起经过第二套筒透镜18，并经第一二向色镜20反射；分别从光路三和光路四出射的点阵三和点阵四通过第四偏振分束器pbs 17进行合束，合束后一起经过第三套筒透镜19，并经第一二向色镜20透射与点阵一、点阵二合束，合束后的四光束再依次通过第四套筒透镜21、第二二向色镜22和物镜23，在物镜23焦面上分别形成千束点阵，四个千束点阵最终拼接成为数万点阵，刻写时产生的荧光经过物镜23、第二二向色镜22反射和第三凸透镜25成像到ccd 26上。
[0024]
（6） 微透镜阵列mla 12焦点阵列到物镜23焦面点阵的成像过程：第一套筒透镜15前焦面与mla 12后焦面重合；点阵一和点阵二所在光路的两个第一套筒透镜15都分别和第二套筒透镜18组成4f系统，点阵一和点阵二分别通过两个4f系统成像到第二套筒透镜18后焦面，第二套筒透镜18后焦面与第四套筒透镜21前焦面重合，第四套筒透镜21和物镜23组成4f系统，使第四套筒透镜21前焦面的点阵最终成像到物镜23的焦面上；同理，点阵三和点阵四所在光路的两个第一套筒透镜15也都分别和第三套筒透镜19组成4f系统，第三套筒透镜19后焦面与第四套筒透镜21前焦面重合，点阵三和点阵四最终也都成像在物镜23的焦面上。
[0025]
（7） 四个千束点阵的拼接方式：千束点阵的空间位置分布通过第三反射镜13和第四反射镜14进行调节，如图6所示，点阵二和点阵一在x方向上错开1/2个点阵周期，点阵三
和点阵一在y方向错开1/2个点阵周期，点阵四和点阵一在x方向和y方向都错开1/2个点阵周期，最终四个点阵在物镜23焦面上以上述空间分布方式拼接形成万束点阵，该点阵的周期为点阵一周期的1/2。
[0026]
（8） 通过数字微镜阵列dmd 8独立调控千束点阵各子光斑，因此最终拼接产生的万束点阵，其强度、开关、能量分布同样独立可控，可用于任意复杂三维结构的高通量、高精度、高质量刻写。