[发明专利]一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置及方法

说明书

本发明公开一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置及方法，主要包含三个核心元件：数字微镜阵列DMD、空间光调制器SLM和微透镜阵列MLA，DMD将有效像素区域等分成N×N个单元，一个单元对应一个光斑，对DMD每个单元包含的m×m个微镜进行独立开关，实现各单元光斑强度和均匀度的独立调控；SLM将有效像素区域等分成N×N个单元，并与入射的各单元光斑一一对应并独立进行相位控制；MLA用于生成焦点阵列，其微透镜数N×N决定了点阵的数量，该点阵随后经凸透镜和物镜成像到物镜焦平面上进行加工，该装置与方法具有灰度光刻的功能，能够快速加工任意形状且高均匀度的曲面结构及真三维微结构，可应用于超分辨光刻等领域。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域及光学元件加工制造领域，更具体地，涉及一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置及方法。

背景技术

空间光调制器SLM和数字微镜阵列DMD可分别用于调制光波波前和光场振幅，将它们分别与超分辨双光子直写技术相结合，将同时发挥SLM（或DMD）和双光子两者的优势，实现微纳结构的灵活高效加工。目前，基于DMD或SLM的双光子直写技术方案虽然在超分辨实现和三维复杂结构加工等方面取得了显著的成绩，但在提升加工通量方面并没有取得特别明显的效果，通量的大幅度提升往往需要通过增加并行数来实现，而并行数的增加会导致加工灵活度的降低，如无法对各并行光束的加工路径分别进行控制，这会使得并行光束只能按照统一的规划路径进行加工，得到的加工结构较为单一。

灰度光刻是制作三维微结构的一种重要技术，一般采用灰度掩模来实现批量制作，灰度掩模的不同灰度等级对应着不同的透过率，从而调节在感光材料表面产生的曝光剂量，显影之后能够得到与曝光剂量成比例的三维立体结构，再通过刻蚀技术，将感光层上的图案复制到基片上，从而最终形成表面结构。目前，制作灰度掩模存在的主要问题是随着灰度等级的增加，制作难度和成本大大增加；在应用灰度光刻技术制作三维微器件时，受限于自由曲面灰度掩膜图的设计，通常只能加工出表面为初等解析曲面（如弧面、球面）的三维微结构，还无法制作任意形状图形的灰度掩模，很难实现包含自由曲面的三维微结构制作；此外，基于灰度掩模的灰度光刻一般也只能在材料表面进行加工，无法实现真三维微结构制作。而采用逐点扫描并同步控制光斑剂量来进行灰度光刻，则会有加工通量低和均匀度差等缺点。

文献[Optics Laser Technology, 2019, 113:407-415]通过DMD和双边微透镜空间滤波阵列实现了70×110的光斑点阵，使得通量得到很大提升，并通过DMD对各光斑剂量控制进行灰度光刻，实现了任意自由曲面结构的并行加工，但该方案无法实现各光斑路径的独立自由控制，且采用LED紫外光源，无法实现真三维微结构加工，得到的分辨率也只在微米量级。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置及方法，该装置利用微透镜阵列MLA产生光斑阵列，并分别通过DMD和SLM对各光斑进行振幅和波前调制，用以控制各光斑在物镜焦平面的强度和位置，可实现高均匀度任意曲面结构和真三维微结构的高通量超分辨并行灵活加工。

本发明的技术解决方案如下：

一种多点阵产生及独立控制的双光子并行直写装置，包括按光前进方向依次设置的飞秒激光脉冲、扩束器、第一反射镜、数字微镜阵列DMD、第一凸透镜、第二凸透镜、第二反射镜、空间光调制器SLM、第三反射镜、第三凸透镜、第四凸透镜、第四反射镜、方形可调光阑、微透镜阵列MLA、第五凸透镜、二向色镜、物镜、精密位移台以及设置在二向色镜反射端的第六凸透镜、CCD。

作为优选，所述的数字微镜阵列DMD用于对入射光斑进行振幅调制，具体为DMD将有效像素区域等分成N×N个单元，一个单元对应一个光斑，对数字微镜阵列DMD每个单元包含的m×m个微镜进行独立“开”与“关”的状态切换，独立调控各单元光斑的强度和均匀度。