[发明专利]一种基于数字微镜器件的空心光斑阵列并行调控装置

说明书

本发明公开了一种基于数字微镜器件的空心光斑阵列并行调控装置，该装置利用空间光调制器对入射光束进相位调制，形成空心光斑阵列成像到数字微镜器件上，随后经过第四透镜与物镜，最终在样品材料上形成空心光斑阵列。本发明可以通过空间光调制器生成高质量的空心光斑阵列，利用数字微镜器件对阵列中每个单独的空心光斑实现快速地开关，从而控制样品材料处空心光斑阵列图案。本发明利用数字微镜器件的快速调制特点，结合空间光调制器在产生空心光斑阵列质量上的优势，可以为基于受激辐射损耗的高通量光刻技术提供可高速独立调控的空心光斑阵列，推动高速、纳米尺度三维光刻的发展。

技术领域

本发明属于高通量纳米三维光刻领域，尤其涉及一种基于数字微镜器件的空心光斑阵列并行调控装置。

背景技术

纳米器件是人类探索电学、磁学、力学和生物系统极限技术等的关键。纳米器件的发展将大幅推动信息、医疗、安防等领域的变革。世界各国在纳米技术发展战略和计划中，将纳米器件作为研究和投资的重点，纷纷制订发展计划，旨在提升本国的国际竞争力。世界许多国家的企业也看好纳米器件的发展前景，纷纷新建相关的企业和投入风险资金。

微纳加工制造技术是纳米加工装备研发的关键，随着纳米技术的不断发展，纳米技术领域的创新促进了人工设计的微观结构和具有可定义的可控特性的纳米结构的发展。各领域对纳米尺寸结构的加工需求逐渐从二维转向三维，从简单材料转向复杂材料，从单一结构转向复杂大面积结构。三维纳米结构具有更大空间自由度、更丰富和更新奇的功能特性，在力学、生物医学、微电子及微纳光子学等领域展示出巨大优势和应用前景。

传统的极紫外光刻与电子束刻蚀技术虽然可以达到纳米分辨率，但是从机理上都无法实现任意形状的三维加工能力。飞秒激光直写技术是解决未来三维纳米器件制备难题最具潜力的技术之一。该技术采用近红外波段的波长，可以低损耗地进入材料内部加工，并且基于双光子效应，可以将加工精度提升至200nm以下，且无需要掩模板和真空加工环境，因此具有优异的工业化应用前景。

为了获得更高的刻写精度，科研人员将1994年德国物理学家Hell所提出的受激发射损耗（Stimulated emission depletion, STED）技术运用到双光子激光直写技术中，提出了双光束超分辨激光直写技术，获得了50nm左右的刻写精度。该技术主要利用材料与光的非线性作用，将光反应限制在光焦点中心极小的区域来实现超高精度的三维纳米刻写。通常采用一束激发光来引发光聚合反应，一束中空形状的抑制光对激发光束与抑制光束重叠区域内的聚合反应进行限制，通过将聚合反应限制在光强中心附近，达到压缩反应区域尺寸的目的。

为了有效提高激光直写效率，科研人员尝试采用多束光并行刻写来提升刻写速度。目前并行刻写系统中用于生成空心光斑阵列的器件主要包括微透镜阵列、衍射光学元件和空间光调制器。然而，采用微透镜阵列与衍射光学元件产生的空心光斑阵列，无法实现对空心光斑的光场调控和特异性调控，无法很好地应对复杂三维结构的加工需求。采用空间光调制器虽然可以实现动态的相位编码，进而可以调控空心光斑阵列，对于实现并行直写具有一定的优势，不过，空间光调制器的刷新频率较慢，在加工复杂结构时依然是限制加工速度的短板。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于数字微镜器件的空心光斑阵列并行调控装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于数字微镜器件的空心光斑阵列并行调控装置，包括激光光源、第一透镜、可变光阑、第二透镜、二分之一波片、空间光调制器、第三透镜、数字微镜器件、第四透镜、物镜、样品台和电脑；激光光源发出激光光束，经过第一透镜、可变光阑与第二透镜后完成滤波与扩束；随后经过二分之一波片调整光束偏振方向，控制空间光调制器生成涡旋光阵列调制图像，光束在经过第三透镜后聚焦到数字微镜器件形成空心光斑阵列；空心光斑阵列经过数字微镜器件反射后，通过第四透镜和物镜在物镜像面上生成共轭缩小的空心光斑阵列，此时通过控制数字微镜器件上各空心光斑子部分区域的开关，控制物镜像面上空心光斑阵列的图案，电脑分别连接空间光调制器和数字微镜器件。