CN109283805A - 基于达曼光栅的激光直写装置 - Google Patents

基于达曼光栅的激光直写装置 Download PDF

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周常河
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Abstract

本发明涉及一种基于达曼光栅激光直写装置。将STED超分辨引入到达曼光栅激光直写光路部分，充分利用STED超分辨成像，将激发光和损耗光的两种空间分布的光斑进行重叠，重叠区域荧光被猝灭，因此只有中心区域很小范围内才能够辐射荧光，实现了超分辨成像，可以产生一个更小的聚焦光斑，从而提高刻写密度，能够实现高密度光栅的刻写。在此基础上利用达曼光栅，可以一次直写多条光栅栅线，提高激光直写的直写并行度。本装置适用于刻写高密度、高精度的大尺寸衍射光学元件。

Description

基于达曼光栅的激光直写装置
技术领域
本发明涉及激光直写技术，特别是一种基于达曼光栅的激光直写装置。
背景技术
大尺寸衍射光栅在高功率激光、啁啾脉冲压缩技术中有着越来越多的应用，是光学***和科学仪器如大型天文望远镜、惯性约束核聚变激光点火***中的核心关键光学器件。制备大尺寸、高精度、满足高功率激光等应用的衍射光学元器件成为了现在急需解决的问题。微电子加工技术在衍射光学元件的制备领域已经取得了巨大的进展。激光直写技术作为微电子加工技术中的一类新兴技术，其发展受到了越来越多的关注，激光直写技术发展日趋成熟。激光直写技术是一种可以实现大面积和任意图案分布的低成本无掩模光刻技术。相比传统全息技术、电子束光刻技术，激光直写技术具有更高的灵活性、价格相对较低。且激光直写技术相对其他有掩膜光刻技术而言,不需要昂贵的掩膜版,降低了成本及损耗。
激光直写装置的进一步发展受到刻写速度和精度的影响及约束。现有技术中采用达曼光栅能够实现大面积光栅的制备，然而仅采用达曼光栅，可以提高直写速度，但是直写的精度仍受限于激光的瑞利分辨的衍射极限。为了提高大面积光栅的精度，我们需要在光束精度上进一步提高改进。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种基于达曼光栅的激光直写装置。基于上述目的，本发明至少提供如下技术方案：
基于达曼光栅的激光并行直写装置，其包括，
移动平台20，
达曼光栅激光直写光路以及自聚焦光路，其中，
所述达曼光栅激光直写光路包括激发光光源1以及损耗光光源3，激发光光源1及损耗光光源3输出的光束传输经过二色相镜5以及达曼光栅7之后聚焦于待刻写的光栅基片表面，激发光光源1与损耗光光源3的光斑重叠，形成超分辨的多束光点；
所述自聚焦光路包括红光激光器21，所述红光激光器21输出的光束经偏振分光棱镜15后，经由显微物镜18聚焦于待刻写的光栅基片表面，被所述待刻写的光栅基片反射后的光束经偏振分光棱镜15、柱面透镜组14之后，传输至四象限探测器13。
进一步的，所述激发光光源1输出光束方向设置有反射镜2，所述损耗光光源3输出光束方向设置有涡旋相位板4以及二色相镜5，在所述反射镜2的反射方向是二色相镜5，光束经过二色相镜5之后依次经过第一小孔光阑6、达曼光栅7、第一扩束透镜组9、第二小孔光阑10、反射镜11以及第二扩束透镜组12，经所述第二扩束透镜组12的光束经分光镜16后聚焦于待刻写的光栅基片表面。
进一步的，所述激发光光源1的光斑为艾里斑，所述损耗光光源3经过所述涡旋相位板4的空间调制以后形成甜甜圈状光斑。
进一步的，所述达曼光栅激光直写光路与所述自聚焦光路的焦点位置相同。
进一步的，所述激发光光源1、反射镜2、二色相镜5、损耗光光源3以及涡旋相位板4构成了受激辐射损耗(STED)超分辨光路。
进一步的，还包括控制***，所述控制***包括达曼光栅位置调整模块、平台位置调整模块、自聚焦模块以及光源控制模块。
进一步的，所述达曼光栅位置调整模块与高精密转台8连接，所述平台位置调整模块与移动平台20连接，自聚焦模块与四象限探测器13、压电陶瓷17连接，所述达曼光栅7放置于所述高精密转台8上，所述压电陶瓷17与显微物镜18连接。
进一步的，移动平台20上设置有水平调平台19，所述光栅基片放置于所述水平调平台19上。
进一步的，所述涡旋相位板4用于在损耗光光束中引入0-2π的涡旋相位分布，形成甜甜圈状光斑。
进一步的，所述达曼光栅位置调整模块用于控制所述高精密转台8的转动，所述平台位置调整模块控制水平调平台19的移动，所述自聚焦模块用于控制所述显微物镜的自聚焦，所述光源控制模块用于控制所述光源的功率。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明的基于达曼光栅的激光直写光路采用激发光光源及损耗光光源，并将两个光源的光斑重叠在一起，形成了光学超分辨光点，缩小了激光光斑尺寸，实现了光学超分辨成像，并在超分辨光点的基础上结合达曼光栅分束，实现了并行直写光栅，提高了光栅直写效率。另外，本发明设置自聚焦光路与达曼激光直写光路的焦点位置相同，通过调整自聚焦光路即可实现直写光路的对焦，从而方便了操作。
附图说明
图1是本发明基于达曼光栅的激光直写装置示意图。
图2是本发明基于达曼光栅的激光直写装置发射的超分辨光斑示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明的基于达曼光栅的激光直写装置结构示意图。如图所示，本发明的基于达曼光栅的激光直写装置包括，移动平台20、达曼光栅激光直写光路、自聚焦光路以及控制***。
移动平台20上设置有水平调平台19，待刻写的光栅基片放置于水平调平台19上。达曼光栅激光直写光路中包含有两个光源，分别是激发光光源1以及损耗光光源3，激发光光源1的波长为λ1，损耗光光源3的波长为λ2，激发光光源的光斑为艾里斑，损耗光光源经过涡旋相位板的空间调制后形成甜甜圈状光斑。所述激发光光源1输出光束方向设置有反射镜2，损耗光光源3输出光束方向设置有涡旋相位板4以及二色相镜5，在反射镜2的反射方向设置有二色相镜5，光束经过二色相镜5之后依次经过第一小孔光阑6、达曼光栅7、第一扩束透镜组9、第二小孔光阑10、反射镜11以及第二扩束透镜组12，经第二扩束透镜组12的光束经分光镜16后经由显微物镜18聚焦于待刻写的光栅基片表面。达曼光栅7放置于高精密转台8上，涡旋相位板4用于在损耗光光束中引入0-2π的涡旋相位分布，使损耗光形成甜甜圈状光斑，压电陶瓷17与显微物镜18连接，控制显微物镜的对焦。
在本发明设置的基于达曼光栅的激光直写光路中，激发光光源1、反射镜2、二色相镜5、损耗光光源3、涡旋相位板4构成了受激辐射损耗荧光(STED)超分辨光路，激发光光源与损耗光光源的光斑重叠，使位于艾里斑***区域上处于荧光发射态的荧光分子被损耗光抑制，不再产生荧光，突破光学衍射极限，缩小光斑尺寸，形成超分辨的多束光点。从而提高刻写密度，实现了高密度光栅的刻写。利用达曼光栅，提高激光直写的直写并行度。本装置适用于刻写高密度、高精度的大尺寸衍射光学元件。
图2是本发明的基于达曼光栅的激光直写装置发射的超分辨光斑示意图，该达曼光栅激光直写光路采用艾里斑与甜甜圈状光斑两个光源，艾里斑及甜甜圈状光斑经过显微物镜后聚焦在焦平面处形成光斑，两个光斑重叠在一起，使得位于艾里斑***区域上处于荧光发射态的荧光分子被损耗光抑制，不再产生荧光，将激发光的光强限制在损耗光光强为零的焦点中心，达到压缩激发光光斑尺寸的目的，减小了荧光的有效发射区域，缩小了激光光斑的尺寸，形成了光学超分辨光点，实现了光学超分辨成像，并在超分辨光点的基础上结合达曼光栅分束，实现了并行直写光栅，提高了光栅直写效率。
自聚焦光路，包括红光激光器21，在该实施例中，红光激光器21的发射波长具体为640nm，红光激光器21输出的光束经反射镜22反射后，依次经过偏振分光棱镜15、分光镜16后，由显微物镜18聚焦于待刻写的光栅基片表面，在待刻写的光栅基片表面，被待刻写的光栅基片反射后的光束经分光镜16、偏振分光棱镜15、柱面透镜组14之后，传输至四象限探测器13，由探测器13采集信号，在该实施例中，探测器13可以是四象限探测器。
控制***，包括达曼光栅位置调整模块、平台位置调整模块、自聚焦模块以及光源控制模块，达曼光栅位置调整模块与高精密转台8连接，平台位置调整模块与移动平台20连接，四象限探测器13以及压电陶瓷17分别与自聚焦模块连接。达曼光栅设置于高精密转台8上，从而通过达曼光栅位置调整模块控制高精密转台8的转动来控制达曼光栅的位置，平台位置调整模块控制移动平台20以及水平调平台19的移动，自聚焦模块用于控制显微物镜18的自聚焦，光源控制模块用于控制其光源的功率。
本发明通过设置自聚焦光路与达曼光栅激光直写光路的焦点位置相同，通过调整自聚焦光路的焦点位置即可实现达曼光栅激光直写光路的对焦，操作方便，避免了对直写光路的调整，减少对直写光路的影响。并且在超分辨光点的基础上结合了达曼光栅分束，实现了并行直写光栅，提高了光栅直写效率与精度，有利于大尺寸、高精度衍射光栅的制备。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于达曼光栅的激光直写装置，其包括，
移动平台(20)，
达曼光栅激光直写光路以及自聚焦光路，其中，
所述达曼光栅激光直写光路包括激发光光源(1)以及损耗光光源(3)，激发光光源(1)及损耗光光源(3)输出的光束传输经过二色相镜(5)以及达曼光栅(7)之后聚焦于待刻写的光栅基片表面，激发光光源(1)与损耗光光源(3)的光斑重叠，形成超分辨的多束光点；
所述自聚焦光路包括红光激光器(21)，所述红光激光器(21)输出的光束经偏振分光棱镜(15)后，经由显微物镜(18)聚焦于待刻写的光栅基片表面，被所述待刻写的光栅基片反射后的光束经偏振分光棱镜(15)、柱面透镜组(14)之后，传输至四象限探测器(13)。
2.根据权利要求1的所述激光直写装置，其特征在于，所述激发光光源(1)输出光束方向设置有反射镜(2)，所述损耗光光源(3)输出光束方向设置有涡旋相位板(4)以及二色相镜(5)，在所述反射镜(2)的反射方向是二色相镜(5)，光束经过二色相镜(5)之后依次经过第一小孔光阑(6)、达曼光栅(7)、第一扩束透镜组(9)、第二小孔光阑(10)、反射镜(11)以及第二扩束透镜组(12)，经所述第二扩束透镜组(12)的光束经分光镜(16)后聚焦于待刻写的光栅基片表面。
3.根据权利要求1或2的所述激光直写装置，所述激发光光源(1)的光斑为艾里斑，所述损耗光光源(3)经过所述涡旋相位板(4)的空间调制以后形成甜甜圈状光斑。
4.根据权利要求1或2的所述激光直写装置，其特征在于，所述达曼光栅激光直写光路与所述自聚焦光路的焦点位置相同。
5.根据权利要求3的所述激光直写装置，其特征在于，所述激发光光源(1)、反射镜(2)、二色相镜(5)、损耗光光源(3)以及涡旋相位板(4)构成了STED超分辨光路。
6.根据权利要求1的所述激光直写装置，其特征在于，还包括控制***，所述控制***包括达曼光栅位置调整模块、平台位置调整模块、自聚焦模块以及光源控制模块。
7.根据权利要求6的所述激光直写装置，其特征在于，所述达曼光栅位置调整模块与高精密转台(8)连接，所述平台位置调整模块与移动平台(20)连接，自聚焦模块与四象限探测器(13)、压电陶瓷(17)连接，所述达曼光栅(7)放置于所述高精密转台(8)上，所述压电陶瓷(17)与显微物镜(18)连接。
8.根据权利要求1-2、6-7任一项的所述激光直写装置，其特征在于，移动平台(20)上设置有水平调平台(19)，所述光栅基片放置于所述水平调平台(19)上。
9.根据权利要求1-2、6-7任一项的所述激光直写装置，其特征在于，所述涡旋相位板(4)用于在损耗光光束中引入0-2π的涡旋相位分布，形成甜甜圈状光斑。
10.根据权利要求8的所述激光直写装置，其特征在于，所述达曼光栅位置调整模块用于控制所述高精密转台(8)的转动，所述平台位置调整模块控制水平调平台(19)的移动，所述自聚焦模块用于控制所述显微物镜的自聚焦，所述光源控制模块用于控制所述光源的功率。
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