宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置及方法与流程

本发明涉及飞秒激光直写，尤其涉及一种宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置及方法。

背景技术：

1、飞秒激光直写技术中，大面积高通量刻写和刻写精度往往无法同时兼顾，尤其是轴向精度的瓶颈一直难以突破。基于飞秒激光和数字微镜阵列（digital micromirrordevices，dmd）的面曝光技术实现了兼具高通量和高精度的三维刻写，尤其结合时空同步聚焦特性，实现轴向分辨率175nm，将体素纵横比提升至1.25：1，证明了时空同步聚焦技术可以有效提升刻写的轴向精度。但该方法要求所用飞秒光源具有足够高的功率，用以支撑dmd的大面积单次快速曝光，同时利用时空同步聚实现轴向分辨率提升与飞秒光源的光谱宽度强相关，因此要求飞秒光源具有足够的带宽，带宽越宽，时空同步聚焦效果越好，轴向分辨率越高。

2、商业化飞秒振荡器可具有40nm带宽，但其功率不足以支撑dmd的大幅面单次快速曝光；商业飞秒放大器虽然具有足够高的功率，但其光谱宽度更窄，一般局限在30nm以内。通过非线性效应将高功率飞秒激光带宽提升至100nm以上，其实现技术已非常成熟，如通过将放大后的飞秒激光与钆镓石榴石（gadolinium gallium garnet，ggg）晶体的非线性作用，可以将光谱宽度从24nm提升至259nm，光谱覆盖范围为626nm-1167nm；如结合时空同步聚焦技术，可大幅度提升刻写的轴向分辨率，而即便20%的转换效率也足够支撑dmd的全幅面单次快速曝光。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置及方法。本发明能够实现大面积、高精度的任意复杂结构三维刻写。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明实施例第一方面提供了一种宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，按光前进方向依次包括飞秒激光光源、第一透镜、介质、第二透镜、反射镜、数字微镜阵列、第三透镜、物镜和位移台，其中，所述介质位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的焦点位置，所述数字微镜阵列位于所述第三透镜的前焦面位置，所述物镜的焦面位于所述位移台所承载的样品内；

3、该直写装置的光学路径具体包括：所述飞秒激光光源生成入射的飞秒激光，飞秒激光经过所述第一透镜聚焦到所述介质的内部，再经过所述介质后生成宽带飞秒激光，该宽带飞秒激光经过所述第二透镜准直成平行光束，该平行光束入射到所述反射镜上，经过所述反射镜将该平行光束反射到所述数字微镜阵列上，通过所述数字微镜阵列对光束进行调制得到目标强度分布的光斑，该光斑从所述数字微镜阵列出射，并随后依次经过所述第三透镜和所述物镜，将所述数字微镜阵列表面的光场成像到所述物镜的焦面，结合所述位移台的高速扫描，实现对样品的刻写。

4、进一步地，所述介质包括晶体和光纤。

5、进一步地，所述第二透镜和所述第一透镜的焦距比根据使用激光的功率和口径进行调节。进一步地，所述数字微镜阵列的表面和所述物镜的焦面平行。

6、进一步地，所述反射镜用于将宽带飞秒激光以入射角为24°的方向入射到所述数字微镜阵列，所述数字微镜阵列的表面法线沿光轴，以确保所述数字微镜阵列的表面光场和所述物镜的焦面光场平行。

7、进一步地，所述数字微镜阵列具有空间光调制功能，所述数字微镜阵列由微镜周期性紧密排列而成，通过所述数字微镜阵列内微镜的独立开关控制实现对入射光场的调控，以获取目标强度分布的光场。

8、进一步地，所述通过所述数字微镜阵列内微镜的独立开关控制实现对入射光场的调控，具体包括：

9、当飞秒激光光斑入射到所述数字微镜阵列表面上时，处于开状态的微镜沿光轴方向反射光斑，处于关状态的微镜不沿光轴方向反射光斑，通过独立控制各微镜的开状态和关状态，对覆盖在所述数字微镜阵列上的光斑进行空间调制，获得目标强度分布的光斑。

10、进一步地，所述数字微镜阵列的多个微镜呈二维周期性分布，所述数字微镜阵列具有二维衍射光栅特性，宽带飞秒激光入射到所述数字微镜阵列时满足光栅衍射方程nλ=d(sinα+sinβ)，其中d为光栅常数，α为入射角，β为出射角，λ为激光波长，n为衍射级次，从所述数字微镜阵列出射的宽度飞秒激光具有角色散，其不同波长的飞秒激光的出射角不同，不同波长的飞秒激光在空间分离；不同波长的飞秒激光经过所述第三透镜后平行传输，再经过所述物镜后汇聚在所述物镜的焦面，实现时空同步聚焦。

11、本发明实施例第二方面提供了一种基于上述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置的直写方法，具体包括：所述飞秒激光光源生成入射的飞秒激光，飞秒激光经过所述第一透镜后聚焦到所述介质的内部，基于飞秒激光和所述介质的非线性作用生成宽带飞秒激光，该宽带飞秒激光随后经过所述第二透镜准直成平行光束，该平行光束入射到所述反射镜上，经过所述反射镜将该平行光束反射到所述数字微镜阵列上，通过所述数字微镜阵列对光束进行调制得到目标强度分布的光斑，该光斑从所述数字微镜阵列出射，并随后依次经过所述第三透镜和所述物镜组成的成像系统，将所述数字微镜阵列表面的光场成像到所述物镜的焦面，同时结合所述位移台的高速扫描，以使光场依次扫描所述位移台所承载样品的不同位置，实现对样品的直写。

12、进一步地，所述基于飞秒激光和所述介质的非线性作用生成宽带飞秒激光的原理，具体包括：

13、飞秒激光经过所述第一透镜后将该准直光束聚焦，所述介质位于所述第一透镜的焦点位置，通过飞秒激光在焦点位置的高峰值功率密度，使其在所述介质中产生非线性作用，对飞秒激光光谱进行调制，生成宽带飞秒激光；并通过调整所述第二透镜和所述第一透镜的焦距比实现对飞秒激光的扩束，以使扩束后的飞秒激光覆盖所述数字微镜阵列的表面。

14、本发明的有益效果是，本发明在基于飞秒激光和数字微镜阵列的时空同步聚焦刻写技术的基础上，通过飞秒激光与介质的非线性作用拓展光谱宽度，大幅提升时空同步聚焦能力，进而提升刻写的轴向分辨率，实现大面积、高通量、高精度的快速曝光和刻写。

技术特征：

1.一种宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，按光前进方向依次包括飞秒激光光源（1）、第一透镜（2）、介质（3）、第二透镜（4）、反射镜（5）、数字微镜阵列（6）、第三透镜（7）、物镜（8）和位移台（9），其中，所述介质（3）位于所述第一透镜（2）和所述第二透镜（4）之间的焦点位置，所述数字微镜阵列（6）位于所述第三透镜（7）的前焦面位置，所述物镜（8）的焦面位于所述位移台（9）所承载的样品内；

2.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述介质（3）包括晶体和光纤。

3.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述第二透镜（4）和所述第一透镜（2）的焦距比根据使用激光的功率和口径进行调节。

4.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述数字微镜阵列（6）的表面和所述物镜（8）的焦面平行。

5.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述反射镜（5）用于将宽带飞秒激光以入射角为24°的方向入射到所述数字微镜阵列（6），所述数字微镜阵列（6）的表面法线沿光轴，以确保所述数字微镜阵列（6）的表面光场和所述物镜（8）的焦面光场平行。

6.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述数字微镜阵列（6）具有空间光调制功能，所述数字微镜阵列（6）由微镜周期性紧密排列而成，通过所述数字微镜阵列（6）内微镜的独立开关控制实现对入射光场的调控，以获取目标强度分布的光场。

7.根据权利要求6所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述通过所述数字微镜阵列（6）内微镜的独立开关控制实现对入射光场的调控，具体包括：

8.根据权利要求1所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置，其特征在于，所述数字微镜阵列（6）的多个微镜呈二维周期性分布，所述数字微镜阵列（6）具有二维衍射光栅特性，宽带飞秒激光入射到所述数字微镜阵列（6）时满足光栅衍射方程nλ=d(sinα+sinβ)，其中d为光栅常数，α为入射角，β为出射角，λ为激光波长，n为衍射级次，从所述数字微镜阵列（6）出射的宽度飞秒激光具有角色散，其不同波长的飞秒激光的出射角不同，不同波长的飞秒激光在空间分离；不同波长的飞秒激光经过所述第三透镜（7）后平行传输，再经过所述物镜（8）后汇聚在所述物镜（8）的焦面，实现时空同步聚焦。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置的直写方法，其特征在于，具体包括：所述飞秒激光光源（1）生成入射的飞秒激光，飞秒激光经过所述第一透镜（2）后聚焦到所述介质（3）的内部，基于飞秒激光和所述介质（3）的非线性作用生成宽带飞秒激光，该宽带飞秒激光随后经过所述第二透镜（4）准直成平行光束，该平行光束入射到所述反射镜（5）上，经过所述反射镜（5）将该平行光束反射到所述数字微镜阵列（6）上，通过所述数字微镜阵列（6）对光束进行调制得到目标强度分布的光斑，该光斑从所述数字微镜阵列（6）出射，并随后依次经过所述第三透镜（7）和所述物镜（8）组成的成像系统，将所述数字微镜阵列（6）表面的光场成像到所述物镜（8）的焦面，同时结合所述位移台（9）的高速扫描，以使光场依次扫描所述位移台（9）所承载样品的不同位置，实现对样品的直写。

10.根据权利要求9所述的直写方法，其特征在于，所述基于飞秒激光和所述介质（3）的非线性作用生成宽带飞秒激光的原理，具体包括：

技术总结
本发明公开了一种宽带飞秒激光高轴向分辨率直写装置及方法，该装置按光前进方向依次包括飞秒激光光源、第一透镜、介质、第二透镜、反射镜、数字微镜阵列、第三透镜、物镜和位移台，其中，介质位于第一透镜和第二透镜之间的焦点位置，数字微镜阵列位于第三透镜的前焦面位置，物镜的焦面位于位移台所承载的样品内；利用飞秒激光在介质中的非线性作用生成宽带飞秒激光，通过数字微镜阵列对该飞秒激光进行调制实现光场调控，并结合该宽带飞秒激光在刻写平面的时空同步聚焦效应，实现对样品的刻写。本发明能够大幅度提升轴向分辨率，实现高通量、高分辨率、任意复杂结构的三维刻写。

技术研发人员：杨顺华,高秀君,苏晨怡,施钧辉
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22