[发明专利]一种飞秒激光双光子聚合微纳加工系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳加工技术领域，尤其涉及一种飞秒激光双光子聚合微纳加工系统及方法。

背景技术

随着半导体微电子技术的发展，伴随产生的各种微纳加工技术成为了现代科学技术的重要研究内容，在微机电系统、微光子学器件、精密特殊仪器、信息技术、生物医学等领域有着广泛的应用。

近年来，随着激光技术的发展，利用飞秒激光作为光源的双光子吸收技术被引入微纳加工领域。该技术是利用较长波长的飞秒激光作为光源，通过聚焦物镜将激光光束聚焦在待加工的光敏材料上，在焦点处光敏材料通过双光子吸收作用发生聚合反应，而在光路上其他地方由于激光强度较低，不发生双光子吸收，同时由于激光的能量较低，相应的单光子吸收过程也不能发生，因此双光子聚合作用只局限在焦点处。当激光焦点在光敏材料内部移动时，光敏材料沿焦点轨迹发生固化，未固化的光敏材料被有机溶剂除去，从而可以实现对光敏材料的微纳加工。

根据上述飞秒激光双光子聚合微纳加工的原理，利用该项技术在制作任意复杂的三维微纳结构方面具有其特有的优势。这是由于一方面，光敏材料发生双光子吸收具有阀值效应，发生效率与光强度的平方成正比；另一方面，入射激光只有在焦点处局部区域的光强满足材料发生双光子吸收的阀值，光敏材料相对于光束其他位置透明，不发生吸收，因此可以在光敏材料内部任意位置实现定点聚合，使飞秒激光双光子聚合微纳加工过程具有严格的空间定位能力，从而可以制作任意复杂的三维微纳结构。

早期采用飞秒激光双光子聚合进行微纳加工是通过在光敏材料内部逐点发生双光子聚合来形成三维微纳结构，因此，加工一个三维微纳器件需要大量的点聚合过程，时间较长，加工效率低，且工艺流量远远不能满足工业生产需求，从而限制其在微纳加工领域的进一步应用。为解决上述问题，各国研究人员提出多焦点并行加工的方法，实现了同时并行加工上百个微纳结构，使加工效率得到一定程度的提高。同时，国内研究人员也在多焦点并行加工技术方面做了很多研究，例如提出了通过多光束组合与控制将零部件加工制备与组装一次完成的方法，解决了微尺度组装难题。

然而，上述的多焦点并行加工方法比较适用于批量生产具有周期结构的微纳器件，而对于批量生产任意复杂的三维微纳器件仍然有很高难度。在加工过程中每束光的焦点仍需按照预先设计的轨迹逐点运动，通常飞秒激光焦点与光敏材料的相对位移是通过控制位移台的运动来实现的，而位移台惯性较大，响应时间较长，因此，现有的多焦点并行加工的方法对制作任意复杂的三维微纳器件的加工效率提高有限，且在三维方向上均需要高精度的机械定位能力，增加了加工难度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种飞秒激光双光子聚合微纳加工系统及方法，以解决以上背景技术部分提出的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种飞秒激光双光子聚合微纳加工系统，所述系统包括：

飞秒激光器，用于产生飞秒激光；

外光路调制单元，用于对所述飞秒激光进行调制；

取像装置，用于对三维微纳器件的截面图形逐层进行取像，以使调制后的飞秒激光形成按照所述各层截面图形排列的并行光束；

聚焦透镜，用于将按照所述各层截面图形排列的并行光束聚焦在光敏材料内，形成由多个焦点组成的平面图像，各焦点处光敏材料发生固化，以实现所述三维微纳器件的每层截面结构一次投影成形；

位移台，用于对放置在其上的所述光敏材料的位置进行微动调节；

计算机，用于对所述位移台和所述取像装置进行控制；

监控装置，用于对所述光敏材料的微纳加工过程进行实时监控。

第二方面，本发明还提供了一种飞秒激光双光子聚合微纳加工方法，采用上述第一方面所述的飞秒激光双光子聚合微纳加工系统来执行，所述方法用于对光敏材料进行逐层微纳加工，并通过监控装置对所述光敏材料的逐层微纳加工过程进行实时监控，所述方法包括：

打开飞秒激光器，产生飞秒激光；

通过外光路调制单元对所述飞秒激光进行调制；

通过计算机控制取像装置对三维微纳器件的第一层截面图形进行取像，以使调制后的飞秒激光形成按照所述第一层截面图形排列的并行光束；

通过聚焦透镜将按照所述第一层截面图形排列的并行光束聚焦在所述光敏材料内，形成由多个焦点组成的平面图像，各焦点处光敏材料发生固化，以实现所述三维微纳器件的第一层截面结构一次投影成形；

通过计算机控制位移台移动所述三维微纳器件的一层截面厚度的距离，其中，所述位移台的移动方向与所述飞秒激光照射所述光敏材料的方向平行；