一种激光干涉光刻系统的制作方法

本申请属于微纳结构技术领域，特别是涉及一种激光干涉光刻系统。

背景技术：

金属钛合金因其优良的生物相容性、生物惰性、弹性模量与人体骨模量接近等优点被广泛应用于口腔种植和骨科领域。钛合金植体表面形态是影响骨整合的重要因素之一，为促进骨整合，人们采用多种物理化学方法对钛合金植体表面进行改性。多光束激光干涉光刻加工是一种可控且灵活的表面改性方法，该方法处理后的钛合金植体表面具有微米到纳米级的混合结构，有利于提升钛合金植体作为口腔种植和骨科植入材料的实用性。

利用多光束激光干涉进行微纳米尺度的结构光刻加工，是一种在材料表面大面积构建亚微米周期性结构的方法，通过两束或者多束相干光形成周期性或者准周期性光场，可以直接在材料表面或者内部刻蚀二维和三维周期性结构。激光干涉加工具有加工面积大、加工尺度灵活多变、成本低廉等优点。利用多光束激光干涉加工出的纳米结构也在许多领域得到广泛应用。

目前的多光束激光干涉光刻系统大多采用单一光束输出的激光器，采用各种分光方式对原光束进行分光，然后再用反射镜对各分束光进行反射相交，获得干涉；但是现有的激光干涉光刻系统分光后光强不相等，分光元件太多，调整困难，系统可靠性低。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

基于目前的多光束激光干涉光刻系统大多采用单一光束输出的激光器，采用各种分光方式对原光束进行分光，然后再用反射镜对各分束光进行反射相交，获得干涉；但是现有的激光干涉光刻系统分光后光强不相等，分光元件太多，调整困难，系统可靠性低的问题，本申请提供了一种激光干涉光刻系统。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种激光干涉光刻系统，包括依次排列的双束激光产生组件、若干光束整形组件和若干干涉组件；

所述双束激光产生组件包括若干光束产生单元，所述光束产生单元之间设置有偏振镜和q开关；

所述光束整形组件包括依次排列的扩束准直单元和光束整形单元；

所述干涉组件包括分光单元和偏振态调制单元。

可选地，所述光束产生单元包括依次排列45°全反射镜、泵浦光源和腔镜输出镜，所述泵浦光源与nd:yag晶体相互平行设置；所述45°全反射镜之间设置有所述偏振镜和所述q开关。

可选地，所述扩束准直单元的扩束倍数为2，所述扩束准直单元包括若干光学镜片和镜筒。

可选地，所述光学镜片采用k9玻璃，所述光学镜片镀有增透膜ar@1064nm，所述扩束准直单元入口直径ф10mm，出口直径ф20mm。

可选地，所述光束整形单元为方形光束整形器，所述方形光束整形器包括若干光学镜片和镜筒，所述光学镜片采用k9玻璃，所述光学镜片镀有增透膜ar@1064nm，所述光束整形单元入口直径为ф20mm，出口为20mmx20mm。

可选地，所述偏振态调制单元包括若干反射镜和若干半波片，所述反射镜用于调整光束之间的夹角，所述半波片用于调整光束的偏振态。

可选地，所述反射镜为平面反射镜，所述平面反射镜采用k9玻璃制造，所述平面反射镜尺寸为ф40mmmm，所述平面反射镜反射面镀全反射膜hr@1064nm。

可选地，所述分光单元包括半反半透镜，所述半反半透镜采用k9玻璃制造，所述半反半透镜尺寸为ф40mmmm，所述半反半透镜分束比为1:1。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种激光干涉光刻系统的有益效果在于：

本申请提供的激光干涉光刻系统，由双束激光产生组件发出的激光经光束整形组件后，使其变成能量分布均匀的平顶光束，并将其光斑形状整形为方形，以便于加工区域的拼接，再经过干涉组件相交于一点实现干涉，干涉图作用于待加工材料表面，得到周期性微纳结构。本申请涉及的激光干涉光刻系统分光后光强相等，分光元件简洁，容易调整，系统可靠性高。

附图说明

图1是本申请的一种激光干涉光刻系统结构示意图；

图2是本申请的双束激光产生组件结构示意图；

图中：1-双束激光产生组件、2-光束整形组件、3-干涉组件、4-光束产生单元、5-偏振镜、6-q开关、7-扩束准直单元、8-光束整形单元、9-分光单元、10-偏振态调制单元、11-45°全反射镜、12-泵浦光源、13-腔镜输出镜、14-nd:yag晶体、15-反射镜、16-半波片。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

激光干涉光刻是一种在材料表面大面积加工亚微米尺度周期性结构的方法，通过两束或者多束相干光形成周期性或者准周期性光场，可以直接在材料表面或者内部刻蚀二维和三维周期性结构。激光干涉光刻工艺具有加工面积大，加工尺度灵活多变，成本低廉等优势，已受到研究者们的高度重视，利用激光干涉光刻加工出的纳米结构也在许多领域得到广泛应用，但其在设备复杂性以及加工可靠性等方面仍有很多不足之处。

传统的mach-zehnder干涉光刻仪为双光束干涉光刻系统，校准过程繁琐，需要精确调整光路中每一个透镜的位置，并且一次只能进行单一周期纳米结构的加工，如果要加工其他周期的纳米图形则需要重新调整整套光路，过程复杂耗时不易实现。要获得均匀光强分布的多光束干涉条纹，就要对激光进行分束，目前实现光学分束的方法很多,常用的有分光镜法、微透镜阵列法分光法和光栅分光法等。

分光镜法目前最为普及，它采用半反半透镜将一束激光一分为二，然后再利用反射镜反射使两束光相交，交点处的双光束发生干涉，实现干涉加工。也可以采用比例透镜将光束进行多种比例的分光，实现三光束以上的干涉加工。由于光学镀膜工艺的实际控制精度和分光、反射操作中的角度调整，分光镜法很难保证各光束的大小一致和均匀性，进而影响加工效果。

微透镜阵列分光法，采用由许多微小的透镜组成的陈列镜头，将完整的光波分成许多小部分，每部分都聚焦在相应透镜的焦点上，从而得到光强均匀的阵列分布。但实际光束会有一定的畸变。并不是理想的平面波前。光束经过微透镜聚焦后发生了位移，不再是均匀分布。此外，制作过程中各透镜之间的加工误差也会对分束器性能造成影响。

光栅分光法所用的光栅主要有泰伯光栅和达曼光栅。泰伯光栅利用近场菲涅耳衍射，理论上衍射效率接近100％，但实际上由于边缘效应及像差等影响，衍射效率在80％左右，其最大的缺点是光强分布不均匀。达曼光栅可以将入射光分束成等光强、等空间距离阵列的光束，但周期内空间坐标与相位被调制，需要添加相应补偿器件，在抗强激光损伤能力方面，达曼光栅还不理想。

q开关(英文：q-switching)，也称巨脉冲调制器，是一种产生脉冲激光的器件技术。与同样用来产生脉冲的锁模方式相比，q开关方式的重复率低，脉冲时间长，但单脉冲能量大。。有时，这两种技术也会同时使用。通过改变激光共振腔q值，提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度。

k9玻璃是用k9料制成的玻璃制品，用于光学镀膜等领域。k9料属于光学玻璃，由于它晶莹剔透，所以衍生了很多以k9料为加工对象的工厂，他们加工出来的产品，在市面上称为水晶玻璃制品。

参见图1，本申请提供一种激光干涉光刻系统，包括依次排列的双束激光产生组件1、若干光束整形组件2和若干干涉组件3；

所述双束激光产生组件1包括若干光束产生单元4，所述光束产生单元4之间设置有偏振镜5和q开关6；

所述光束整形组件2包括依次排列的扩束准直单元7和光束整形单元8；

所述干涉组件3包括分光单元9和偏振态调制单元10。

参见图2，可选地，所述光束产生单元4包括依次排列45°全反射镜11、泵浦光源12，腔镜输出镜13和nd:yag晶体14；所述泵浦光源12与nd:yag晶体14相互平行设置；所述45°全反射镜11之间设置有所述偏振镜5和所述q开关6。基于互注入方式运转的双路输出nd:yag脉冲固体双束激光产生组件，采用双灯双棒、一充二放工作方式和加压式电光调q，输出波长1064nm，脉冲宽度8ns，单脉冲能量500mj，出射光束直径ф7mm，发散角为3mrad。

可选地，所述扩束准直单元7的扩束倍数为2，所述扩束准直单元7包括若干光学镜片和镜筒。

可选地，所述光学镜片采用k9玻璃，所述光学镜片镀有增透膜ar@1064nm，所述扩束准直单元7入口直径ф10mm，出口直径ф20mm。

可选地，所述光束整形单元8为方形光束整形器，所述方形光束整形器包括若干光学镜片和镜筒，所述光学镜片采用k9玻璃，所述光学镜片镀有增透膜ar@1064nm，所述光束整形单元8入口直径为ф20mm，出口为20mmx20mm。方形光束整形器将高斯分布的圆形激光束整形为方形均匀分布的平顶光束，以解决原高斯分面的激光束中心能量强而边缘能量弱所导致制备的微纳阵列结构一致性不理想的问题，并便于在大面积加工时进行无缝拼接。

可选地，所述偏振态调制单元10包括若干反射镜15和若干半波片16，所述反射镜15用于调整光束之间的夹角，进而实现加工周期的调整；所述半波片16用于调整光束的偏振态，以实现最佳的干涉效果。

可选地，所述反射镜15为平面反射镜，所述平面反射镜采用k9玻璃制造，所述平面反射镜尺寸为ф40mmmm，所述平面反射镜反射面镀全反射膜hr@1064nm。

可选地，所述分光单元9包括半反半透镜，所述半反半透镜采用k9玻璃制造，所述半反半透镜尺寸为ф40mmmm，所述半反半透镜分束比为1:1。出射的初始激光束经分光后变为光强相等的若干光束，通过调整分光镜的空间反射角度，可获得所需要的若干光束的空间角分布。

实施例：

参见图1，本申请中着重介绍以双路输出的脉冲双束激光产生组件1作为光源，则包括两组光束产生单元4，同时对应两组光束整形组件2和两组干涉组件3，在分光单元9的侧部和同一直线上设置有反射镜15，每个反射镜15对应一个半波片16。

由双束激光产生组件1发出的两束激光经扩束准直单元7进行准直后，由光束整形单元8对激光呈高斯分布的能量进行均匀化处理，使其变成能量分布均匀的平顶光束，并将其光斑形状整形为方形，以便于加工区域的拼接，通过分光单元9进行合理角度的分光后，两束光变成空间四束光，四束光分别经过反射镜15反射和半波片16进行偏振态调制后，相交于一点实现干涉，干涉图作用于待加工材料表面，得到周期性微纳结构。可通过调整反射镜15的角度实现四光束夹角的调整进而获得不同的加工周期。以此类推，还可以获得八光束干涉。

双束激光产生组件1输出波长为1064nm，光束直径为7mm，经2倍扩束准直单元7扩束准直后为14mm，经光束整形单元8后输出14mmx14mm的平顶均匀光束；

由四光束干涉的周期公式易知，当欲得到的微纳结构的周期分别为5μm、10μm、15μm时，四光束的入射夹角依次为8.6°、4.3°、2.8°，调整反射镜15的角度，即可实现上述夹角，进而得到三种周期的激光干涉微纳结构。

采用互注入运转双路输出双束激光产生组件1直接输出两路光强相同、偏振态一致、相位差恒定的平行光束，该两束激光是很好的相干光；使用时双束激光产生组件1发出的两束激光相互平行，可以利用两个45°全反射镜11进行间距调整，再分别利用两个反射镜15进行光束干涉夹角的调整以实现加工周期的选取，从而实现双光束、多种入射夹角的会聚干涉。获得良好的双路干涉光阵列，还可进一步获得四光束干涉陈列。两激光束干涉所产生的干涉条纹上的激光能量与加工材料相互作用，可刻蚀出待加工材料表面的沟槽结构；如果把两束再分为四光束，可实现四光束干涉加工并获得不同周期的阵列微纳米结构。本申请取代了现有系统采用的一分为二、二分为四的分光方法，解决了现有技术方案中使用离散式多支架造成的光强不相等、调整困难、可靠性低的问题，大大提高了系统的方便性、可靠性和效率。本申请具有光路调整简便，加工尺寸可控、效率高、适合低成本大批量生产、操作简单等优点。简化了传统的分光和调整方式，大大提高了系统的可靠性、方便性和效率。两束初始激光可以可以直接进行双光束干涉进行光刻加工，也可以再分光为四束，实现四光束干涉加工，有效地提高了加工装置的加工质量和使用范围。

本申请提供的激光干涉光刻系统，由双束激光产生组件发出的激光经光束整形组件后，使其变成能量分布均匀的平顶光束，并将其光斑形状整形为方形，以便于加工区域的拼接，再经过干涉组件相交于一点实现干涉，干涉图作用于待加工材料表面，得到周期性微纳结构。本申请涉及的激光干涉光刻系统分光后光强相等，分光元件简洁，容易调整，系统较为可靠性。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。