[發明專利]一種基于多點陣產生和獨立控制的雙光子并行直寫裝置及方法

在審

• 申請號: 202110046632.1
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112596349A
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 匡翠方;楊順華;劉旭;李海峰;丁晨良;溫積森;徐良
• 申請（專利權）人: 之江實驗室;浙江大學
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 11435
• 代理人: 奚麗萍

本發明公開一種基于多點陣產生和獨立控制的雙光子并行直寫裝置及方法，主要包含三個核心元件：數字微鏡陣列DMD、空間光調制器SLM和微透鏡陣列MLA，DMD將有效像素區域等分成N×N個單元，一個單元對應一個光斑，對DMD每個單元包含的m×m個微鏡進行獨立開關，實現各單元光斑強度和均勻度的獨立調控；SLM將有效像素區域等分成N×N個單元，并與入射的各單元光斑一一對應并獨立進行相位控制；MLA用于生成焦點陣列，其微透鏡數N×N決定了點陣的數量，該點陣隨后經凸透鏡和物鏡成像到物鏡焦平面上進行加工，該裝置與方法具有灰度光刻的功能，能夠快速加工任意形狀且高均勻度的曲面結構及真三維微結構，可應用于超分辨光刻等領域。

技術領域

本發明屬于微納光學技術領域及光學元件加工制造領域，更具體地，涉及一種基于多點陣產生和獨立控制的雙光子并行直寫裝置及方法。

背景技術

空間光調制器SLM和數字微鏡陣列DMD可分別用于調制光波波前和光場振幅，將它們分別與超分辨雙光子直寫技術相結合，將同時發揮SLM（或DMD）和雙光子兩者的優勢，實現微納結構的靈活高效加工。目前，基于DMD或SLM的雙光子直寫技術方案雖然在超分辨實現和三維復雜結構加工等方面取得了顯著的成績，但在提升加工通量方面并沒有取得特別明顯的效果，通量的大幅度提升往往需要通過增加并行數來實現，而并行數的增加會導致加工靈活度的降低，如無法對各并行光束的加工路徑分別進行控制，這會使得并行光束只能按照統一的規劃路徑進行加工，得到的加工結構較為單一。

灰度光刻是制作三維微結構的一種重要技術，一般采用灰度掩模來實現批量制作，灰度掩模的不同灰度等級對應著不同的透過率，從而調節在感光材料表面產生的曝光劑量，顯影之后能夠得到與曝光劑量成比例的三維立體結構，再通過刻蝕技術，將感光層上的圖案復制到基片上，從而最終形成表面結構。目前，制作灰度掩模存在的主要問題是隨著灰度等級的增加，制作難度和成本大大增加；在應用灰度光刻技術制作三維微器件時，受限于自由曲面灰度掩膜圖的設計，通常只能加工出表面為初等解析曲面（如弧面、球面）的三維微結構，還無法制作任意形狀圖形的灰度掩模，很難實現包含自由曲面的三維微結構制作；此外，基于灰度掩模的灰度光刻一般也只能在材料表面進行加工，無法實現真三維微結構制作。而采用逐點掃描并同步控制光斑劑量來進行灰度光刻，則會有加工通量低和均勻度差等缺點。

文獻[Optics Laser Technology, 2019, 113:407-415]通過DMD和雙邊微透鏡空間濾波陣列實現了70×110的光斑點陣，使得通量得到很大提升，并通過DMD對各光斑劑量控制進行灰度光刻，實現了任意自由曲面結構的并行加工，但該方案無法實現各光斑路徑的獨立自由控制，且采用LED紫外光源，無法實現真三維微結構加工，得到的分辨率也只在微米量級。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種多點陣產生和獨立控制的雙光子并行直寫裝置及方法，該裝置利用微透鏡陣列MLA產生光斑陣列，并分別通過DMD和SLM對各光斑進行振幅和波前調制，用以控制各光斑在物鏡焦平面的強度和位置，可實現高均勻度任意曲面結構和真三維微結構的高通量超分辨并行靈活加工。

本發明的技術解決方案如下：

一種多點陣產生及獨立控制的雙光子并行直寫裝置，包括按光前進方向依次設置的飛秒激光脈沖、擴束器、第一反射鏡、數字微鏡陣列DMD、第一凸透鏡、第二凸透鏡、第二反射鏡、空間光調制器SLM、第三反射鏡、第三凸透鏡、第四凸透鏡、第四反射鏡、方形可調光闌、微透鏡陣列MLA、第五凸透鏡、二向色鏡、物鏡、精密位移臺以及設置在二向色鏡反射端的第六凸透鏡、CCD。

作為優選，所述的數字微鏡陣列DMD用于對入射光斑進行振幅調制，具體為DMD將有效像素區域等分成N×N個單元，一個單元對應一個光斑，對數字微鏡陣列DMD每個單元包含的m×m個微鏡進行獨立“開”與“關”的狀態切換，獨立調控各單元光斑的強度和均勻度。