CN112286015A - 一种基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，属于超分辨激光微纳加工领域，由激光器输出的光束经过声光调制器强度调制后被准直器准直为平行光束；平行光束经过起偏器被转化为偏振光，再经1/2波片旋转偏振方向后被径向偏振光生成器转化为径向偏振光；径向偏振光依次经过两个圆锥透镜整形为环形平行光束；环形的径向偏振光被高数值孔径物镜聚焦，形成高分辨焦斑，其半高全宽小于同参数下传统圆偏光形成的焦斑，因此可以获得更高的打印分辨率；该装置中加入了能量和位置监测及稳定装置，实现焦斑的位置和能量稳定；同时加入了成像装置，实现样品的高分辨原位测量。该装置可提升传统双光子激光打印的分辨率。
Description
技术领域
本发明属于激光直写加工领域，特别涉及一种基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置。
背景技术
以光刻技术为主的微纳加工技术可以说是当前半导体、平板显示、MEMS、光电子等行业的关键支撑技术。光刻技术是一种在特定波长光照作用下，以光刻胶（光致抗蚀剂、photoresist）为介质，将微纳图形制备到基片上的技术。以半导体工艺为例，半导体器件由多种专用材料经过光刻、离子刻蚀、抛光等复杂微纳加工流程而完成。光刻设备是半导体工艺中最关键的核心装备，在掩模版制备、芯片制造和封装环节都使用了光刻技术。
光刻技术可以分为直写和投影两个大类。而激光直写和电子束直写是产业中两项主要的直写技术。当前半导体掩模版总量的约75%由激光直写设备制备，其余掩模版由电子束直写设备完成。平板显示领域的大幅面掩模版，100%由激光直写设备制备。双光子激光打印技术是Maruo等人在1997年提出一项基于光学非线性效应的微纳制造技术。与现有的其他加工手段和工艺相比，双光子激光打印技术具有一系列独有的优势。
第一，双光子激光打印技术相较于传统单光子激光打印技术具有更高的分辨率和精度。由于衍射极限的存在，聚焦光斑的尺寸受到物镜数值孔径的限制，基于单光子激发的激光打印技术难以达到亚微米分辨率和精度。双光子激光打印利用了激光与物质作用时的双光子吸收机制，是一种光学非线性现象。双光子吸收是指通常电子要从低能级跃迁到高能级必须吸收一份相当于二个能级之差的能量。如果这份能量由光辐射来提供，只有在光子的能量为二个能级之差时才会被原子所吸收。但是在高功率的光束下，虽然一个光子的能量还达不到二个能级之差，但电子可以同时吸收二个光子达到一定的能量而完成一次跃迁,这就是双光子吸收。双光子吸收的发生主要在脉冲激光器所产生的超强激光的焦点处，使得高功率激发下的光胶聚合反应发生在更小的区域内，因此，双光子激光打印具有更高的分辨率。双光子激光直写设备使用的飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应，作用时间极短，热效应小。第二，双光子激光打印技术继承了单光子打印技术的三维加工优势，其可以聚焦在光刻胶的内部实现本征空间三维结构打印。而目前广泛使用的电子束曝光、离子束刻蚀等光刻技术皆属于二维平面加工技术，无法满足未来对加工任意三维结构的需求。第三，双光子激光打印技术不需要掩膜版也不需要真空环境。此外，双光子激光打印技术在加工速度上相较于电子束曝光技术具有极大的优势。
非线性效应的存在使激光打印技术的分辨率突破了衍射效应的限制，双光子激光打印在诸多领域也得到了广泛地应用。但是由于激发双光子吸收的条件非常苛刻，它要求特定的物质和极高的能量密度。此外，为了获得更高的穿透深度，双光子激光打印设备往往采用近红外波段。因此，双光子激光打印设备的分辨率仍然是阻碍其发展的一个短板。本发明针对这一点，提出了一种基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置。该装置基于柱状矢量偏振调制原理，结合光束整形技术，进一步缩小聚焦光斑的尺寸，从而进一步减小非线性效应发生的区域，提高双光子激光直写***的分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置。利用以上装置，可以产生用于激光打印的超分辨暗斑和焦斑阵列。本装置产生更小的聚焦光斑，进一步提升双光子激光打印装置的分辨率和精度。同时，应可以应用于激光共聚焦成像，提升共聚焦显微镜的成像分辨率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，包括激光器、声光调制器、准直器、起偏器、1/2波片、径向偏振光生成器、第一圆锥透镜、第二圆锥透镜、第一透镜、第二透镜、二色镜、振镜扫描模块、扫描镜、场镜、物镜，所述激光器发出的光经过声光调制器后进入准直器，光束通过准直器扩束并准直为平行光束，平行光束在经过起偏器被转化为线偏光，线偏光经过1/2波片后再经过径向偏振光生成器，线偏光被转化为径向偏振光，从径向偏振光生成器出射的径向偏振光入射到第一圆锥透镜上被转化为发散的环形光束，之后再被第二圆锥透镜准直为环形平行光束；环形平行光束再经过第一透镜和第二透镜组成的4f***进行缩束，之后依次经过二色镜、振镜扫描模块，扫描镜、场镜后，进入物镜，经过物镜汇聚后在焦点处形成焦斑。
进一步的，还包括设置在物镜的焦面处设有z轴位移台，用于实现对样品或光刻胶的三维扫描和大尺寸拼接。
进一步的，所述1/2波片旋转至特定位置，使线偏光的偏振方向满足径向偏振光生成器的要求。
进一步的，所述振镜扫描模块为4f扫描***；
进一步的，所述环形平行光束充满物镜入瞳，以最大限度利用物镜数值孔径，
进一步的，还包括能量探测器，用于对光束能量进行监测，并反馈给声光调制器进行光强调制，所述能量探测器与声光调制器组成能量稳定***。
进一步的，还包括防漂移装置和位置探测器，所述位置探测器将光束的位置信息反馈给防漂移装置，对光束的漂移进行补偿，所述位置探测器和防漂移装置组成光束稳定***。
进一步的，还包括成像透镜和探测器，用于对成像光束进行探测。
本发明的有益效果：本发明基于柱状矢量偏振光机制，可以产生比传统高斯光束聚焦光斑半高全宽（FWHM）更小的聚焦光斑；采用光束整形的技术方案，可以去除聚焦光斑中的低频分量，获得更小的半高全宽；相较于传统遮挡光束中心的获得圆环光束的方案，本发明采用圆锥透镜的方法，可以保留光束的全部能量，可以充分发挥激光器的最高功率。本发明还可用于共聚焦成像，提升共聚焦成像分辨率。
附图说明
图1为不同内径环形光在高数值孔径物镜聚焦下的光斑尺寸示意图；
图2位了0.9d内径下的圆偏光和径向偏振光聚焦光斑的能量对比示意图；
图3为本发明的一种基于柱状矢量偏振光束调制的双光子打印装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，展示了不同内径环形光在高数值孔径物镜聚焦下的光斑尺寸。假设图入瞳直径为d，光束直径也为d，保证光束充满入瞳，即充分利用物镜的数值孔径。模拟计算的数值孔径为1.45，波长为780nm，计算视场为4个波长。可以看出，当径向偏振光（圆点标记的实线）与圆偏光（虚线）在孔径聚焦的情况下，拥有几乎相同的半高全宽，但径向偏振光具有更多的低频分量。为此采用环形光入射，可以减少低频部分。如图1中，当环形光内径分别0.4d、0.5d、0.6d、0.7d、0.8d、0.9d时，光斑的半高全宽逐渐降低，低频分量也逐渐减少。因此，采用这样的光斑进行直写加工可以获得更高的加工精度。同样的，采用环形的圆偏光同样可以减少光斑的半高全宽，但效果不如采用径向偏振光。如图2所示，对比了0.9d内径下的圆偏光和径向偏振光聚焦光斑的能量对比，图中实线为圆偏光，虚线为径向偏振光，可以看出，径向偏振光聚焦形成光斑的半高全宽比圆偏光形成的光斑的半高全宽小20nm，这就意味着其可以获得更高的分辨率。同时，如果采用遮挡的方式对光斑进行整形，则会丢失一部分光能量，如当遮挡部分达到0.8d的时候，有80%的能量损失。为了达到相同的聚焦光斑功率，必须增大激光功率，造成能源浪费。本发明提供的装置，可以将光束内部的能量转移到外部，在不损失能量的前提下形成环形光束。
如图3所示，本发明的基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，包括激光器1、声光调制器2、准直器3、分光棱镜4、防漂移装置5、起偏器6、1/2波片7、径向偏振光生成器8、第一圆锥透镜9、第二圆锥透镜10、第一透镜11、第二透镜12、二色镜13、振镜扫描模块14、扫描镜15、场镜16、物镜17、z轴位移台18、监测分光棱镜19、位置透镜20、位置探测器21、能量探测器22、成像透镜23、探测器24。激光器1发出的激光经过声光调制器2进行强度调制，之后经过准直器3准直为平行光。平行光束经过分光棱镜4后分为两束，一束进入防漂移装置5，另一束进入监测分光棱镜19再被分为两束。从监测分光棱镜19分出的一束光进入能量探测器22，另一束光被位置透镜20汇聚，进入位置探测器21中。从防漂移装置5中出射的光束经过起偏器6转化为线偏光，线偏光再经过1/2波片7和径向偏振光生成器8，入射到第一圆锥透镜10上。偏振光的偏振方向通过1/2波片7进行调整，使其满足径向偏振光生成器8生成径向偏振光的条件。从第一圆锥透镜9出射的光束被转化为发散的环形光束，环形光束再被第二透镜10准直为环形平行光束。环形的平行光束经过第一透镜11和第二透镜12进行缩束，经过二色镜13进入振镜扫描装置14，之后再依次经过扫描镜15和场镜16进入物镜17，被物镜17聚焦在其焦面上形成焦斑，光刻胶样品置于z轴位移台18上实现三维打印。样品返回的荧光，被物镜收集并依次经过场镜16、扫描镜15、振镜模块14后入射到二色镜13上，被二色镜13反后再被成像透镜23聚焦进入探测器24。
该装置中，可以通过调整所用准直器3的光束出射直径来调整圆环光束的内径，光束越细，通过圆锥透镜形成的环形光束内径越大。由于本发明提供的方法不存在能量损失，所以环形光束的内径可以达到0.9d或者更高。
该装置中，能量探测器22对光束能量进行监测，并反馈给声光调制器2进行光强调制。能量探测器22与声光调制器2组成能量稳定***。
该装置中位置探测器21将光束的位置信息反馈给光束防漂移装置5，对光束的漂移进行补偿，保证加工过程中的光束稳定。位置探测器21和光束稳定装置5组成光束稳定***。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，包括激光器（1）、声光调制器（2）、准直器（3）、起偏器（6）、1/2波片（7）、径向偏振光生成器（8）、第一圆锥透镜（9）、第二圆锥透镜（10）、第一透镜（11）、第二透镜（12）、二色镜（13）、振镜扫描模块（14）、扫描镜（15）、场镜（16）、物镜（17），其特征在于：所述激光器（1）发出的光经过声光调制器（2）后进入准直器（3），光束通过准直器（3）扩束并准直为平行光束，平行光束在经过起偏器（6）被转化为线偏光，线偏光经过1/2波片（7）后再经过径向偏振光生成器（8），线偏光被转化为径向偏振光，从径向偏振光生成器（8）出射的径向偏振光入射到第一圆锥透镜（9）上被转化为发散的环形光束，之后再被第二圆锥透镜（10）准直为环形平行光束；环形平行光束再经过第一透镜（11）和第二透镜（12）组成的4f***进行缩束，之后依次经过二色镜（13）、振镜扫描模块（14），扫描镜（15）、场镜（16）后，进入物镜（17），经过物镜（17）汇聚后在焦点处形成焦斑。
2.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，其特征在于：还包括设置在物镜的焦面处设有z轴位移台（18），用于实现对样品或光刻胶的三维扫描和大尺寸拼接。
3.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，其特征在于：所述1/2波片（7）旋转至特定位置，使线偏光的偏振方向满足径向偏振光生成器（8）的要求。
4.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，其特征在于：所述振镜扫描模块（14）为4f扫描***。
5.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，其特征在于：所述环形平行光束充满物镜入瞳，以最大限度利用物镜数值孔径。
6.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，其特征在于：还包括能量探测器（22），用于对光束能量进行监测，并反馈给声光调制器（2）进行光强调制，所述能量探测器（22）与声光调制器（2）组成能量稳定***。
7.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，其特征在于：还包括防漂移装置（5）和位置探测器（21），所述位置探测器（21）将光束的位置信息反馈给防漂移装置（5），对光束的漂移进行补偿，所述位置探测器（21）和防漂移装置（5）组成光束稳定***。
8.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光束调制的双光子激光打印装置，其特征在于：还包括成像透镜（23）和探测器（24），用于对成像光束进行探测。
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2020
- 2020-12-01 CN CN202011378520.8A patent/CN112286015A/zh active Pending
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