CN109343162A - 基于超透镜的激光直写装置及其激光直写方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超透镜的激光直写装置及其激光直写方法。将超透镜置于直写基底之上，充分利用超透镜的超分辨成像，使得在超透镜的下表面及其近场范围内的距离可以形成高分辨的图像，缩小聚焦的光斑尺寸，从而提高刻写密度，能够实现高密度光栅的刻写。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

基于超透镜的激光直写装置及其激光直写方法
技术领域
本发明涉及激光直写技术，特别是一种基于超透镜的激光直写装置及其激光直写方法。
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、价格相对较低的有点。而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和约束。现有技术中采用达曼光栅提高了直写的并行度。但是传统透镜的衍射极限以及直写精度仍然是有待提高。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种基于超透镜的激光直写装置及其激光直写方法。基于上述目的，本发明至少提供如下技术方案：
基于超透镜的激光直写装置，其包括，
移动平台，
达曼光栅激光直写光路及自聚焦光路，其中，
所述达曼光栅激光直写光路包括蓝光激光光源，蓝光激光光源输出的光束先后经过达曼光栅以及扩束透镜组之后，经超透镜聚焦于待刻写的光栅基片表面；
所述自聚焦光路包括波长为640nm的红光激光器，所述红光激光器输出的光束经偏振分光棱镜后，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、柱面透镜组之后，传输至四象限探测器。
进一步的，在所述蓝光激光光源与所述达曼光栅之间设置有第一准直扩束镜以及第一小孔光阑，所述光束在经过所述达曼光栅之后依次传输经过第一扩束透镜组、第二小孔光阑、反射镜、第二扩束透镜组、二色相镜，之后经过显微物镜后传输至所述超透镜。
进一步的，还包括控制***，所述控制***分别与高精密转台、四象限探测器、压电陶瓷以及移动平台连接，所述达曼光栅放置于所述高精密转台上，所述压电陶瓷与显微物镜连接，控制所述显微物镜的聚焦。
进一步的，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用于控制所述高精密转台的转动，所述平台位置调整模块控制移动平台的精密移动，所述自聚焦模块用于控制所述显微物镜的对焦，所述光源控制模块用于控制所述光源的功率。
进一步的，移动平台上设置有水平调平台，所述光栅基片放置于所述水平调平台上。
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，所述超透镜为基于表面等离子激元的具有负介电常数的金属薄膜。
基于超透镜的激光直写方法，其包括以下步骤，
根据待刻写光栅的参数、待刻写光路的参数，选取所需的达曼光栅；
根据待刻写光栅的占空比，选取蓝光激发光光源的功率；
设置达曼光栅位置调整模块的参数、平台位置调整模块的参数、自聚焦模块的参数以及光源控制模块的参数。
进一步的，所述待刻写光栅参数包括光栅的周期、面积大小；所述达曼光栅位置调整模块的参数包括达曼光栅旋转的角度，所述平台位置调整模块的参数包括移动平台的移动速度。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明的达曼光栅激光直写光路中将达曼光栅与超透镜相结合，利用达曼光栅分束的特点，实现了并行直写，利用超透镜的超分辨成像，缩小了焦斑，使达曼光栅分束产生的多路光点同时得到了缩小，突破了光学衍射极限，使得在超透镜的下表面一定距离范围内的待刻写光栅基片上形成高分辨的图像，实现了近场范围内的超分辨，提高了刻写密度，进而实现大尺寸、高密度光栅的刻写。
(2)本发明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聚焦，操作方便，避免了对直写光路的调整，减少对直写光路的干扰。并且设置自聚焦光路能够保证在激光直写的过程中，直写光路的蓝光焦点始终保持在光刻胶面上，保证直写的质量。
附图说明
图1是本发明基于超透镜的激光直写装置示意图。
图2是本发明基于超透镜的激光直写装置的激光光束与基于普通透镜的激光光束的对比图。
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。
本发明的激光直写装置示意图如图1所示，由图可见，本发明的激光直写装置包括，移动平台18、达曼光栅激光直写光路、自聚焦光路以及控制***。
移动平台18上设置有水平调平台17，待刻写的光栅基片放置于水平调平台17上。
上述达曼光栅激光直写光路中将达曼光栅与超透镜相结合，利用达曼光栅分束的特点，实现了并行直写，利用超透镜的超分辨成像，突破了光学衍射极限，提高了刻写密度，进而实现大尺寸、高密度光栅的刻写。在该实施例中，达曼光栅激光直写光路包括蓝光激光光源1，在该实施例中，蓝光激发光光源1可以是405nm蓝光激光器，蓝光激光光源1输出的光束经过准直扩束镜2后，通过第一小孔光阑3到达达曼光栅4，达曼光栅4放置于高精密转台5内，经过达曼光栅4的光束依次经过第一扩束透镜组6、第二小孔光阑7、反射镜8、第二扩束镜组9、二色相镜13后，到达显微物镜15，经过显微物镜15后聚焦在超透镜16表面，本发明的超透镜为基于表面等离子激元的具有负介电常数的金属薄膜，将待刻写的光栅基片设置于距离超透镜下表面一定距离的超分辨范围内，通过激发表面等离子体,在近场范围内实现消逝波放大,从而补偿消逝波传输造成的衰减,可以缩小入射的激光光斑，实现对纳米物体的超衍射极限成像。缩小了焦斑，使达曼光栅分束产生的多路光点同时得到缩小，从而使其能够形成高分辨的图像，提高刻写密度，实现大尺寸、高密度光栅的刻写。
自聚焦光路，包括红光激光器19，在该实施例中，红光激光器19可以是640nm红光激光器，红光激光器19输出的光束依次经过反射镜20、偏振分光棱镜12、二色相镜13后，到达显微物镜15，经过显微物镜15后聚焦在超透镜16表面，照射于放置在水平调平台17上的待刻写光栅基片上，被待刻写光栅基片反射的激光光束沿原传输光路返回，依次经过超透镜16、显微物镜15、二色相镜13，到达偏振分光棱镜12，经过偏振分光棱镜12的光束经过柱面透镜组11之后被四象限探测器10接收，其中，显微物镜15与压电陶瓷14连接。
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。其中蓝光激发光光源1、高精密转台5、四象限探测器10、压电陶瓷14、精密移动平台18分别与控制***连接。达曼光栅位置调整模块用于控制高精密转台的转动，从而控制达曼光栅的位置，平台位置调整模块用于控制水平调平台的移动，自聚焦模块用于控制其纤维物镜的对焦，光源控制模块用于控制蓝光激光光源的功率。
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聚焦，操作方便，避免了对直写光路的调整，减少对直写光路的干扰。从而实现了操作方便。并且设置自聚焦光路能够保证在激光直写的过程中，直写光路的蓝光焦点始终保持在光刻胶面上，保证直写的质量。
对应于本发明的基于超透镜的激光直写装置，本发明还公开了一种基于超透镜的激光直写方法，该激光直写方法适用于上述激光直写装置，该方法包括：
根据待刻写的光栅参数、待刻写光路参数，选取所需的达曼光栅；根据待刻写光栅占空比，选取蓝光激发光光源的功率；设置达曼光栅位置调整模块的参数、平台位置调整模块的参数、自聚焦模块的参数以及光源控制模块的参数。
其中，待刻写的光栅参数包括光栅的周期、面积大小。达曼光栅位置调整模块的参数包括达曼光栅旋转的角度。平台位置调整模块的参数包括移动平台的移动参数。移动参数包括平台移动的速度、运动模式。
本发明利用达曼光栅分束的特点，结合超透镜的超分辨成像，实现了并行直写光栅，并突破了光学衍射极限，使得在位于超透镜下表面一定距离范围内的基片表面形成高分辨的图像，从而提高了刻写密度，实现了大尺寸、高密度光栅的刻写。
图2是本发明激光直写装置的激光光束与基于普通透镜的激光光束的对比图。由该基于超透镜与基于普通透镜的激光光束对比图可知，经过超透镜的作用，倏逝波在超透镜中得到放大，耦合表面等离子体将在其下表面再次产生振荡和增强效应，使得在下表面及其近场范围内的距离可以形成高分辨的图像。激光光束的半高宽相比普通透镜得到进一步缩窄。
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.基于超透镜的激光直写装置，其包括，
移动平台(18)，
达曼光栅激光直写光路及自聚焦光路，其中，
所述达曼光栅激光直写光路包括蓝光激光光源(1)，蓝光激光光源(1)输出的光束先后经过达曼光栅(4)以及扩束透镜组(6)之后，经超透镜(16)聚焦于待刻写的光栅基片表面；
所述自聚焦光路包括波长为640nm的红光激光器(19)，所述红光激光器(19)输出的光束经偏振分光棱镜(12)后，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(12)、柱面透镜组(11)之后，传输至四象限探测器(10)。
2.根据权利要求1的所述激光直写装置，其特征在于，在所述蓝光激光光源(1)与所述达曼光栅(4)之间设置有第一准直扩束镜(2)以及第一小孔光阑(3)，所述光束在经过所述达曼光栅(4)之后依次传输经过第一扩束透镜组(6)、第二小孔光阑(7)、反射镜(8)、第二扩束透镜组(9)、二色相镜(13)，之后经过显微物镜(15)后传输至所述超透镜(16)。
3.根据权利要求1或2的所述激光直写装置，其特征在于，还包括控制***，所述控制***分别与高精密转台(5)、四象限探测器(10)、压电陶瓷(14)以及移动平台(18)连接，所述达曼光栅(4)放置于所述高精密转台(5)上，所述压电陶瓷(14)与显微物镜(15)连接，控制所述显微物镜(15)的聚焦。
4.根据权利要求3的所述激光直写装置，其特征在于，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。
5.根据权利要求4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(5)的转动，所述平台位置调整模块控制移动平台(18)的精密移动，所述自聚焦模块用于控制所述显微物镜的对焦，所述光源控制模块用于控制所述光源的功率。
6.根据权利要求1的所述激光直写装置，其特征在于，移动平台(18)上设置有水平调平台(17)，所述光栅基片放置于所述水平调平台(17)上。
7.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。
8.根据权利要求7的所述激光直写装置，其特征在于，所述超透镜为基于表面等离子激元的具有负介电常数的金属薄膜。
9.基于超透镜的激光直写方法，其包括以下步骤，
根据待刻写光栅的参数、待刻写光路的参数，选取所需的达曼光栅；
根据待刻写光栅的占空比，选取蓝光激发光光源的功率；
设置达曼光栅位置调整模块的参数、平台位置调整模块的参数、自聚焦模块的参数以及光源控制模块的参数。
10.根据权利要求9的所述激光直写方法，其特征在于，所述待刻写光栅参数包括光栅的周期、面积大小；所述达曼光栅位置调整模块的参数包括达曼光栅旋转的角度，所述平台位置调整模块的参数包括移动平台的移动速度。
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