[發明專利]一種基于光纖端超透鏡的筆光刻系統和制備方法

有效

• 申請號: 202110321468.0
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113064329B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 魏鶴鳴;吳彰理;張保;韓龍;龐拂飛;王廷云
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20;G03F7/30;G03F9/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

1.一種光纖端超透鏡的制備系統，其特征在于，包括打印裝置、光學成像裝置和控制器；所述的光學成像裝置用于獲取打印時的成像信息，所述的控制器連接打印裝置和光學成像裝置；

所述的打印裝置包括第一飛秒激光源（1）、第一二向色鏡（2）、第一物鏡（5）、第一壓電位移平臺（4）和單模光纖支撐架；

所述的第一物鏡（5）安裝在第一壓電位移平臺（4）上，通過第一壓電位移平臺實現第一物鏡（5）的移動和轉動；所述的單模光纖支撐架固定在第一物鏡（5）的正上方，第一二向色鏡（2）固定在第一物鏡（5）的正下方，所述的第一飛秒激光源（1）發射的飛秒激光束經第一二向色鏡（2）反射后進入第一物鏡（5）中；

所述的光學成像裝置包括可見光源（8）和第一CCD相機（12），所述的可見光源（8）固定在單模光纖支撐架的一側；由所述的可見光源（8）發射的可見光束對待打印的位置進行照明，反射回的光透過第一物鏡后垂直穿過第一二向色鏡（2），被第一CCD相機（12）接收并成像；

制備光纖端超透鏡的步驟為：

1）將單模光纖（7）垂直固定在單模光纖支撐架上，使單模光纖（7）位于第一壓電位移平臺（4）的正上方，在單模光纖（7）下端的纖芯位置滴加光敏樹脂，所述的光敏樹脂包裹住單模光纖的下端；

2）開啟所述的制備系統，將預設形狀的超透鏡文件導入控制器，開啟可見光源（8），由所述的可見光源（8）發射的可見光束對待打印的位置進行照明，由第一物鏡（5）收集可見光束，再透過第一二向色鏡（2）后在第一CCD相機（12）中成像，通過CCD相機實時監測打印過程；

3）開啟第一飛秒激光源（1），由第一飛秒激光源發射的飛秒激光束經第一二向色鏡（2）反射后入射至第一物鏡（5），通過控制器調整第一壓電位移平臺來改變從第一物鏡中射出的飛秒激光的聚焦位置，所述的聚焦位置為在單模光纖（7）端部待打印點的位置，當單模光纖端部的光敏樹脂經一定強度的多光子飛秒激光照射后發生聚合，打印成型；

4）取下單模光纖（7），將固定在單模光纖一端的超透鏡浸入顯影液中清洗，去除未聚合的光敏樹脂，得到具有端面超透鏡的單模光纖。

2.根據權利要求1所述的光纖端超透鏡的制備系統，其特征在于，在所述的第一CCD相機（12）和第一二向色鏡（2）之間的光路上還設有擴束器。

3.一種基于光纖端超透鏡的筆光刻系統，其特征在于，包括激光裝置、筆光刻平臺和光學成像裝置；所述的光學成像裝置用于獲取筆光刻平臺中的光刻成像信息；

所述的激光裝置包括第二飛秒激光源（13）、聲光控制器（15）和第二物鏡（19）；所述的第二飛秒激光源（13）由聲光控制器來控制啟閉，其發射出的飛秒激光束經過第一光學路徑入射至第二物鏡（19）中；

所述的筆光刻平臺包括由權利要求1制備得到的具有端面超透鏡的單模光纖（20）、以及打印基板（21）、第二壓電控制平臺；所述的打印基板（21）安裝在第二壓電控制平臺上，能夠實現打印基板在三維空間的移動；所述的單模光纖（20）的超透鏡端與第二物鏡（19）的輸出端連接，單模光纖（20）的另一端位于打印基板（21）的上方。

4.根據權利要求3所述的基于光纖端超透鏡的筆光刻系統，其特征在于，所述的第二壓電控制平臺包括平面壓電控制平臺和垂直壓電控制平臺。

5.根據權利要求3所述的基于光纖端超透鏡的筆光刻系統，其特征在于，在所述的第一光學路徑上布置有擴束器、衰減器和若干全反射鏡，用于將第二飛秒激光束準直、聚焦并傳輸至第二物鏡中。

6.根據權利要求3所述的基于光纖端超透鏡的筆光刻系統，其特征在于，所述的光學成像裝置包括第三物鏡（23）、第二CCD相機（22）和可見光源；由可見光源發出的可見光束照亮打印基板（21），光束經第二光學路徑傳輸至第二CCD相機成像。

7.根據權利要求6所述的基于光纖端超透鏡的筆光刻系統，其特征在于，所述的第二光學路徑上布置有全反射鏡和擴束器，用于將第三物鏡輸出的光束傳輸至第二CCD相機中。

8.一種基于權利要求3所述的筆光刻系統的光刻方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）在基板（21）上旋涂光敏材料并固定，將設計好的二維或三維結構模型導入控制器；通過控制器控制光學成像裝置和第二壓電控制平臺，由光學成像裝置中的可見光源照亮基板（21），光束經第二光學路徑傳輸至第二CCD相機成像，通過成像信息調整光敏材料和基板（21）界面的聚焦位置；

2）開啟第二飛秒激光源（13），發射出的飛秒激光束依次經過第一光學路徑、第二物鏡（19）后從單模光纖（20）的超透鏡端耦合至單模光纖內，再從單模光纖的另一端射出，聚焦在基板上的待光刻位置點；

3）調整第二飛秒激光源的輸出功率，生成具有特定尺寸的光斑，當聚焦點的光強度高于閾值時，光敏材料發生聚合；根據設計好的二維或三維結構模型通過第二壓電控制平臺不斷調整光斑聚焦點，直至光刻結束；

4）將預制的三維結構浸沒在顯影劑溶液中，去除未聚合的光敏樹脂。