[發(fā)明專利]一種基于聲光偏轉(zhuǎn)器的雙光子聚合激光直寫加工系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110045996.8
• 申請(qǐng)日: 2021-01-14
• 公開（公告）號(hào): CN112859538B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 熊偉;焦玢璋;高輝;劉耘呈;范旭浩;鄧?yán)诿?/a>
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G03F7/20
• 分類號(hào): G03F7/20;G02B27/00
• 代理公司: 武漢華之喻知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42267
• 代理人: 鄧彥彥;廖盈春

本發(fā)明提供一種基于聲光偏轉(zhuǎn)器的雙光子聚合激光直寫加工系統(tǒng)，包括：利用聲光偏轉(zhuǎn)器實(shí)現(xiàn)每秒50000行的高速激光掃描，使激光點(diǎn)的掃描速度達(dá)到5000mm/s以上。本發(fā)明消除了超快激光經(jīng)過(guò)聲光偏轉(zhuǎn)器產(chǎn)生的角色散，補(bǔ)償了聲光偏轉(zhuǎn)器高速掃描引入的像散，使掃描范圍內(nèi)的激光點(diǎn)均能實(shí)現(xiàn)緊聚焦，具有相同的峰值功率，實(shí)現(xiàn)掃描范圍內(nèi)任意位置處的加工特征尺寸相同且達(dá)到衍射極限值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)任意三維微納結(jié)構(gòu)的高速、高精度加工。本發(fā)明通過(guò)消除超快激光經(jīng)過(guò)聲光偏轉(zhuǎn)器產(chǎn)生的角色散，補(bǔ)償聲光偏轉(zhuǎn)器高速掃描引入的像散，實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)雙光子聚合激光直寫加工系統(tǒng)相同的加工特征尺寸，同時(shí)大幅提高了加工速度，可將加工效率提高500倍以上。

本申請(qǐng)要求于2021年1月8日提交中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局、申請(qǐng)?zhí)枮?021100253382、發(fā)明名稱為“一種基于聲光偏轉(zhuǎn)器的雙光子聚合激光直寫加工系統(tǒng)”的中國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在本申請(qǐng)中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于聲光偏轉(zhuǎn)器的雙光子聚合激光直寫加工系統(tǒng)。

背景技術(shù)

雙光子聚合激光直寫是一種利用超快激光的緊聚焦激光點(diǎn)對(duì)光敏材料進(jìn)行曝光，直接得到三維微納結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)，這種加工技術(shù)基于雙光子吸收效應(yīng)與雙光子聚合效應(yīng)。雙光子吸收效應(yīng)是一種三階非線性效應(yīng)，該效應(yīng)作用強(qiáng)度與光強(qiáng)的平方成正比。雙光子聚合是指光敏材料經(jīng)過(guò)緊聚焦的超快激光的照射，在緊聚焦焦點(diǎn)附近的雙光子吸收效應(yīng)強(qiáng)度大，產(chǎn)生大量自由基，當(dāng)自由基濃度大于一定閾值時(shí)，聚合成鏈并形成微結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)激光強(qiáng)度大于一定閾值時(shí)，才會(huì)發(fā)生雙光子聚合效應(yīng)；通過(guò)控制激光強(qiáng)度，可以使雙光子聚合效應(yīng)只在小于緊聚焦焦點(diǎn)艾里斑的尺度內(nèi)發(fā)生，實(shí)現(xiàn)超越衍射極限的微結(jié)構(gòu)加工精度，其加工橫向特征尺寸可以達(dá)到200nm以下，縱向特征尺寸可以達(dá)到1um以下。雙光子聚合直寫加工技術(shù)具有加工分辨率高、熱效應(yīng)小的優(yōu)點(diǎn)，在微納電子學(xué)、微機(jī)械、微光學(xué)器件等方面得到了廣泛應(yīng)用。

雙光子聚合激光直寫技術(shù)采用逐點(diǎn)曝光的加工方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的制造，逐點(diǎn)曝光的速度限制了該技術(shù)的產(chǎn)率，降低了其所加工的復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。例如期刊文獻(xiàn)《Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks(Voxels)into LargeFunctional 3D Metamaterials》(Advanced functional materials，2020)中列舉了利用商用加工系統(tǒng)制造的衍射光學(xué)元件，該衍射光學(xué)元件直徑達(dá)到6mm，滿足使用需求，然而加工時(shí)間長(zhǎng)達(dá)50小時(shí)，無(wú)法滿足大規(guī)模應(yīng)用需求。因此提高雙光子聚合激光直寫的加工速度、降低復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)的加工時(shí)間成為了本領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。

雙光子聚合激光直寫加工系統(tǒng)利用高數(shù)值孔徑物鏡對(duì)超快激光進(jìn)行緊聚焦，利用掃描器改變光束的偏轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)緊聚焦激光點(diǎn)在光刻膠內(nèi)的二維移動(dòng)，同時(shí)通過(guò)控制光束的通斷，完成二維圖形的掃描。緊聚焦激光點(diǎn)完成一層圖形的掃描后，改變光刻膠與物鏡之間距離，進(jìn)行逐層掃描，最終完成三維微納結(jié)構(gòu)的曝光。為了提高加工速度，需要提高緊聚焦激光點(diǎn)的掃描速度。掃描器改變光束偏轉(zhuǎn)角的頻率越高，緊聚焦激光點(diǎn)的掃描速度越快，因此提高掃描器改變光束偏轉(zhuǎn)角的頻率成為了提高加工速度的關(guān)鍵。

掃描器可分為機(jī)械偏轉(zhuǎn)式掃描器與衍射偏轉(zhuǎn)式掃描器兩類。機(jī)械偏轉(zhuǎn)式掃描器通過(guò)旋轉(zhuǎn)反射面實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，包括多面轉(zhuǎn)鏡、振鏡與共振鏡。衍射偏轉(zhuǎn)式掃描器通過(guò)調(diào)制光的波前實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，包括液晶空間光調(diào)制器、數(shù)字微鏡陣列與聲光偏轉(zhuǎn)器。下表對(duì)比了不同掃描器的最大掃描頻率，并列舉了參考文獻(xiàn)。