CN112596349A - 一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置及方法，主要包含三个核心元件：数字微镜阵列DMD、空间光调制器SLM和微透镜阵列MLA，DMD将有效像素区域等分成N×N个单元，一个单元对应一个光斑，对DMD每个单元包含的m×m个微镜进行独立开关，实现各单元光斑强度和均匀度的独立调控；SLM将有效像素区域等分成N×N个单元，并与入射的各单元光斑一一对应并独立进行相位控制；MLA用于生成焦点阵列，其微透镜数N×N决定了点阵的数量，该点阵随后经凸透镜和物镜成像到物镜焦平面上进行加工，该装置与方法具有灰度光刻的功能，能够快速加工任意形状且高均匀度的曲面结构及真三维微结构，可应用于超分辨光刻等领域。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学技术领域及光学元件加工制造领域，更具体地，涉及一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置及方法。
背景技术
空间光调制器SLM和数字微镜阵列DMD可分别用于调制光波波前和光场振幅，将它们分别与超分辨双光子直写技术相结合，将同时发挥SLM（或DMD）和双光子两者的优势，实现微纳结构的灵活高效加工。目前，基于DMD或SLM的双光子直写技术方案虽然在超分辨实现和三维复杂结构加工等方面取得了显著的成绩，但在提升加工通量方面并没有取得特别明显的效果，通量的大幅度提升往往需要通过增加并行数来实现，而并行数的增加会导致加工灵活度的降低，如无法对各并行光束的加工路径分别进行控制，这会使得并行光束只能按照统一的规划路径进行加工，得到的加工结构较为单一。
灰度光刻是制作三维微结构的一种重要技术，一般采用灰度掩模来实现批量制作，灰度掩模的不同灰度等级对应着不同的透过率，从而调节在感光材料表面产生的曝光剂量，显影之后能够得到与曝光剂量成比例的三维立体结构，再通过刻蚀技术，将感光层上的图案复制到基片上，从而最终形成表面结构。目前，制作灰度掩模存在的主要问题是随着灰度等级的增加，制作难度和成本大大增加；在应用灰度光刻技术制作三维微器件时，受限于自由曲面灰度掩膜图的设计，通常只能加工出表面为初等解析曲面（如弧面、球面）的三维微结构，还无法制作任意形状图形的灰度掩模，很难实现包含自由曲面的三维微结构制作；此外，基于灰度掩模的灰度光刻一般也只能在材料表面进行加工，无法实现真三维微结构制作。而采用逐点扫描并同步控制光斑剂量来进行灰度光刻，则会有加工通量低和均匀度差等缺点。
文献[Optics & Laser Technology, 2019, 113:407-415]通过DMD和双边微透镜空间滤波阵列实现了70×110的光斑点阵，使得通量得到很大提升，并通过DMD对各光斑剂量控制进行灰度光刻，实现了任意自由曲面结构的并行加工，但该方案无法实现各光斑路径的独立自由控制，且采用LED紫外光源，无法实现真三维微结构加工，得到的分辨率也只在微米量级。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置及方法，该装置利用微透镜阵列MLA产生光斑阵列，并分别通过DMD和SLM对各光斑进行振幅和波前调制，用以控制各光斑在物镜焦平面的强度和位置，可实现高均匀度任意曲面结构和真三维微结构的高通量超分辨并行灵活加工。
本发明的技术解决方案如下：
一种多点阵产生及独立控制的双光子并行直写装置，包括按光前进方向依次设置的飞秒激光脉冲、扩束器、第一反射镜、数字微镜阵列DMD、第一凸透镜、第二凸透镜、第二反射镜、空间光调制器SLM、第三反射镜、第三凸透镜、第四凸透镜、第四反射镜、方形可调光阑、微透镜阵列MLA、第五凸透镜、二向色镜、物镜、精密位移台以及设置在二向色镜反射端的第六凸透镜、CCD。
作为优选，所述的数字微镜阵列DMD用于对入射光斑进行振幅调制，具体为DMD将有效像素区域等分成N×N个单元，一个单元对应一个光斑，对数字微镜阵列DMD每个单元包含的m×m个微镜进行独立“开”与“关”的状态切换，独立调控各单元光斑的强度和均匀度。
作为优选，所述的空间光调制器SLM对入射光斑进行相位调制，具体为：空间光调制器SLM将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元包含m×m个液晶面元，空间光调制器SLM每个单元的各液晶面元与数字微镜阵列DMD各单元的m×m个像素一一对应，通过对空间光调制器SLM各单元内的m×m个液晶面元控制，独立调控各单元光斑的波前。
作为优选，所述的第一凸透镜和第二凸透镜组成4F***一，用于将DMD上的光场成像到空间光调制器SLM，第一凸透镜和第二凸透镜的焦距F1和F2满足F1/F2=dD/dS，其中dD、dS分别是数字微镜阵列DMD和空间光调制器SLM的像素间距；调节数字微镜阵列DMD和空间光调制器SLM的位置和姿态，使光束通过4F***一后，各单元光斑与空间光调制器SLM上的各单元区域一一重合。
作为优选，所述的第三凸透镜和第四凸透镜组成4F***二，用于将空间光调制器SLM上的光场成像到微透镜阵列MLA焦平面上，第三凸透镜和第四凸透镜的焦距F3和F4满足F3/F4=m×dS/dM，其中dM为MLA的微透镜间距；调节微透镜阵列MLA的横向位置，使各单元光斑分别与微透镜阵列MLA各微透镜一一对应。
作为优选，所述的第一反射镜和第二反射镜分别用于调整入射到数字微镜阵列DMD和空间光调制器SLM的入射角，其中空间光调制器SLM的入射角控制在10°以内。
作为优选，所述的微透镜阵列MLA包含N×N个微透镜，用于对入射N×N个单元光斑进行聚焦，一个单元光斑对应一个微透镜，最多可在MLA（14）焦平面产生N×N焦点阵列；通过空间光调制器SLM调制各单元光斑的波前，独立控制各焦点在相应微透镜光轴焦点附近的落点位置。
所述的方形可调光阑用于限制入射到微透镜阵列MLA的光斑尺寸，该方形可调光阑的口径为微透镜阵列MLA有效面积的大小。
作为优选，所述的第五凸透镜与微透镜阵列MLA组成4F***三，微透镜阵列MLA产生的焦点阵列经第五凸透镜后变为以不同角度传输的平行光，并在物镜入瞳面处实现光斑重叠，最终在物镜焦平面上聚焦形成并行直写光斑点阵。
一种基于上述装置的方法，包括以下步骤：飞秒激光脉冲经扩束器及第一反射镜后入射到数字微镜阵列DMD上，数字微镜阵列DMD对入射光斑进行振幅调制后，再经4F***一和第二反射镜成像到空间光调制器SLM上，通过空间光调制器SLM对光斑进行纯相位调制，从空间光调制器SLM出射的光斑再依次经过第三反射镜、4F***二、第四反射镜和方形可调光阑入射到微透镜阵列MLA上，并在微透镜阵列MLA焦平面上产生焦点点阵，该点阵随后经过第五凸透镜、二向色镜和物镜，最终成像在精密位移台上的物镜焦平面内，进行高通量超分辨的双光子直写加工，产生的荧光经物镜、二向色镜反射和第六凸透镜聚焦到CCD上进行成像。
本发明的技术效果如下：
本发明利用MLA产生多光束聚焦点阵，同时通过DMD和SLM分别对各光束的剂量和位置进行独立控制，所实现的点阵数多，加工通量高，各光斑强度可控，具有灰度光刻的功能，且无需采用传统灰度掩模，实现灰度等级高，同时各光斑位置独立可控，加工更灵活，可以实现高均匀度任意曲面结构和真三维微结构的超分辨并行加工。
附图说明
图1为本发明基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置结构示意图；
图2为本发明通过DMD、SLM和MLA实现N×N点阵产生及强度位置独立控制的原理示意图；
图3为本发明利用DMD实现N×N光斑点阵强度分布的示意图；
图4为本发明通过波前控制实现MLA微透镜后光斑位置变化的原理示意图；
图5为本发明同时利用DMD和SLM实现N×N光斑点阵强度和位置分布的示意图；
图6为本发明基于并行灰度光刻实现高均匀度任意曲面结构的示意图；
图中，1-飞秒激光光源，2-扩束器，3-第一反射镜，4-数字微镜阵列DMD，5-第一凸透镜，6-第二凸透镜，7-第二反射镜，8-空间光调制器SLM，9-第三反射镜，10-第三凸透镜，11-第四凸透镜，12-第四反射镜，13-方形可调光阑，14-微透镜阵列MLA，15-第五凸透镜，16-二向色镜，17-物镜，18-精密位移台，19-第六凸透镜，20-CCD。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
如图1所示，本发明提供一种多点阵产生及独立控制的双光子并行直写装置，该装置包括按光前进方向依次设置的飞秒激光脉冲1、扩束器2、第一反射镜3、数字微镜阵列DMD4、第一凸透镜5、第二凸透镜6、第二反射镜7、空间光调制器SLM8、第三反射镜9、第三凸透镜10、第四凸透镜11、第四反射镜12、方形可调光阑13、微透镜阵列MLA14、第五凸透镜15、二向色镜16、物镜17、精密位移台18以及设置在二向色镜16反射端的第六凸透镜19、CCD20。
所述的数字微镜阵列DMD4用于对入射光斑进行振幅调制，具体为DMD4将有效像素区域等分成N×N个单元，一个单元对应一个光斑，对数字微镜阵列DMD4每个单元包含的m×m个微镜进行独立“开”与“关”的状态切换，独立调控各单元光斑的强度和均匀度。
所述的空间光调制器SLM8对入射光斑进行相位调制，具体为：空间光调制器SLM8将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元包含m×m个液晶面元，空间光调制器SLM8每个单元的各液晶面元与数字微镜阵列DMD4各单元的m×m个像素一一对应，通过对空间光调制器SLM8各单元内的m×m个液晶面元控制，独立调控各单元光斑的波前。
所述的第一凸透镜5和第二凸透镜6组成4F***一，用于将DMD4上的光场成像到空间光调制器SLM8，第一凸透镜5和第二凸透镜6的焦距F1和F2满足F1/F2=dD/dS，其中dD、dS分别是数字微镜阵列DMD4和空间光调制器SLM8的像素间距；调节数字微镜阵列DMD4和空间光调制器SLM8的位置和姿态，使光束通过4F***一后，各单元光斑与空间光调制器SLM8上的各单元区域一一重合。
所述的第三凸透镜10和第四凸透镜11组成4F***二，用于将空间光调制器SLM8上的光场成像到微透镜阵列MLA14焦平面上，第三凸透镜10和第四凸透镜11的焦距F3和F4满足F3/F4=m×dS/dM，其中dM为MLA14的微透镜间距；调节微透镜阵列MLA14的横向位置，使各单元光斑分别与微透镜阵列MLA14各微透镜一一对应。
所述的第一反射镜3和第二反射镜7分别用于调整入射到数字微镜阵列DMD4和空间光调制器SLM8的入射角，其中空间光调制器SLM8的入射角控制在10°以内。
所述的微透镜阵列MLA14包含N×N个微透镜，用于对入射N×N个单元光斑进行聚焦，一个单元光斑对应一个微透镜，最多可在MLA（14）焦平面产生N×N焦点阵列；通过空间光调制器SLM（8）调制各单元光斑的波前，独立控制各焦点在相应微透镜光轴焦点附近的落点位置。
所述的方形可调光阑13用于限制入射到微透镜阵列MLA14的光斑尺寸，该方形可调光阑13的口径为微透镜阵列MLA14有效面积的大小。
所述的第五凸透镜15与微透镜阵列MLA14组成4F***三，微透镜阵列MLA14产生的焦点阵列经第五凸透镜15后变为以不同角度传输的平行光，并在物镜17入瞳面处实现光斑重叠，最终在物镜17焦平面上聚焦形成并行直写光斑点阵。
本发明通过DMD、SLM、MLA、方形可调光阑和凸透镜组合成像***，通过MLA本身的特性使光斑经MLA后在其焦平面产生光斑点阵，该点阵最终通过成像***传输到物镜焦平面处进行双光子并行光刻，同时DMD和SLM分别用于独立控制各光斑的强度和位置，可实现高均匀度任意曲面结构和真三维微结构的高通量超分辨灵活加工。
本发明装置的工作过程为：飞秒激光脉冲1经过扩束器2对光斑进行扩束，再经第一反射镜3调节光束到DMD4的入射角，并通过DMD4对入射光场进行振幅调制，如图2所示，DMD4将有效像素区域等分成N×N个单元，一个单元对应一个光斑，对DMD4每个单元包含的m×m个微镜进行独立“开”与“关”的状态切换，实现对各单元光斑强度和均匀度的独立调控，从DMD4出射后的光束经4F***一（第一凸透镜5和第二凸透镜6）和第二反射镜7成像在SLM8上，第二反射镜7用于调节光束到SLM8的入射角，并通过SLM8对入射光场进行相位调制，如图2所示，SLM8将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元包含m×m个液晶面元，SLM8每个单元的各液晶面元与DMD4各单元的m×m个像素一一对应，通过对SLM8各单元内的m×m个液晶面元控制，实现对各单元光斑的独立波前调制，选择合适的4F***一参数，并精细调节DMD4和SLM8的位置和姿态，使光束通过4F***一后，各单元光斑与SLM8上的各单元区域一一重合，从SLM8出射的光束经第三反射镜9、4F***二（第三凸透镜10和第四凸透镜11）、第四反射镜12和方形可调光阑13入射到MLA14上，方形可调光阑13用于限制入射到MLA14的光斑大小，使入射到MLA14的光斑尺寸刚好与MLA14有效微镜范围一致，选择合适的4F***二参数，并精细调节MLA14的横向位置，使MLA14各微镜都分别与一个入射单元光斑相对应，并在MLA14焦平面上得到聚焦光斑点阵，点阵数与MLA14微透镜数N×N相等，由于各单元光斑的波前不同，因此经MLA14后各单元光斑将以不同的偏移角聚焦到MLA14焦平面上，第五凸透镜15和MLA14组成4F***，从第五凸透镜15出射的各单元平行光束将以不同的角度依次经过二向色镜16和物镜17，并在物镜17焦平面处分别重新聚焦，得到高并行数的双光子直写点阵，结合DMD4和SLM8对各光斑强度和位置分布的独立控制，可实现高均匀度任意曲面结构和真三维微结构的高通量超分辨灵活加工，产生的荧光经物镜17、二向色镜16反射和第六凸透镜19聚焦到CCD20上进行成像。
本发明装置部分参数设置举例说明：假定MLA14微透镜数为100×100，微透镜间距为150μm，则MLA14上有效面积为15mm×15mm，方形可调光阑13口径调至15mm×15mm，假定SLM8的分辨率为1272*1024，液晶单元尺寸为12.5μm×12.5μm，SLM8上10×10个像素为一个单元，每个单元都对应MLA14上一个微透镜，即SLM8上125μm×125μm的单元对应MLA14上一个150μm×150μm微透镜，则SLM8的有效利用面积为12.5mm×125mm，同时根据4F***二第三凸透镜10和第四凸透镜11的焦距计算公式F3/F4=m×dS/dM，可知F3/F4=0.83；假定DMD4分辨率为1920*1080，像素间距为10.8μm，DMD4的10×10个像素对应SLM8上的10×10个像素，则DMD4的有效利用面积为10.8mm×10.8mm，而根据4F***一第一凸透镜5和第二凸透镜6的焦距计算公式F1/F2=dD/dS，可知F1/F2=0.864，则DMD4上被利用的飞秒激光圆形光斑直径为10.8mm×=15.27mm，飞秒激光被扩束后的口径须大于该尺寸。
点阵中各光斑强度和均匀度调节实现说明：DMD4上m×m个像素对应一个光斑，对于单个光斑强度控制，可对m×m个微镜均匀地关闭或开启部分微镜来实现，图3即为利用DMD4调制各单元光斑剂量来控制加工点阵强度分布的示意图；对于单个光斑的均匀度控制，可通过在高强度处关闭部分微镜或在低强度处多开启部分微镜来实现，如点阵中某光斑的强度分布为高斯型，则可通过在m×m个微镜中越靠近中心区域关闭微镜数越多的方法来得到均匀光斑。
入射波前变化量与MLA焦平面上落点位置偏差关系的定量说明：图4为MLA14微透镜阵列成像原理的示意图。对于单个微透镜来说，具有平面波前(实平行线)的单元光斑正入射到微透镜上，并聚焦到该透镜光轴上的焦点位置（参考光斑位置)，而畸变波前(虚平行线)不是正入射，则会聚焦到偏离参考光斑的位置，偏移角可根据几何学计算。假定入射到MLA14上的波前斜率为α，要MLA14焦平面各光斑在各自的活动区域内移动而不与其他光斑的活动区域重叠，则入射单元光束相对于各微透镜光轴的最大位移角（也是最大波前斜率）αmax=h/fM=D/2/fM，h为光斑在MLA14焦平面上的最大位移距离，D为微透镜的直径，fM为微透镜的焦距。在DMD4控制光斑点阵强度分布的同时，通过SLM8控制各单元光斑入射MLA14的波前，还可控制点阵各光斑在焦平面的位置分布，如图5所示。
基于灰度光刻的高均匀度任意曲面结构和真三维微结构的高通量超分辨双光子直写实现：如图6所示，假定加工一个心形曲面结构，高亮度区域对应曲面顶点，低亮度区域对应曲面较低点；本发明所实现的光斑点阵对该结构进行加工时，根据各个光斑的活动区域对加工区域进行分区，同时对各个单元区域采用不同光斑强度实现双光子聚合，曲面顶点的光斑强度最高，越往心形结构边缘，光斑强度越低，同时在各单元区域内，通过SLM8改变各光斑的波前，可以控制光斑在各自活动区域内沿任意轨迹进行扫描，并通过DMD4同步调制光斑强度，从而实现任意曲面结构和三维微结构的高均匀度灰度光刻，同时兼具高通量和超分辨的优点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置，其特征在于：包括按光前进方向依次设置的飞秒激光脉冲（1）、扩束器（2）、第一反射镜（3）、数字微镜阵列DMD（4）、第一凸透镜（5）、第二凸透镜（6）、第二反射镜（7）、空间光调制器SLM（8）、第三反射镜（9）、第三凸透镜（10）、第四凸透镜（11）、第四反射镜（12）、方形可调光阑（13）、微透镜阵列MLA（14）、第五凸透镜（15）、二向色镜（16）、物镜（17）、精密位移台（18）以及设置在二向色镜（16）反射端的第六凸透镜（19）、CCD（20）。
2.根据权利要求1所述的一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置，其特征在于：所述的数字微镜阵列DMD（4）用于对入射光斑进行振幅调制，具体为DMD（4）将有效像素区域等分成N×N个单元，一个单元对应一个光斑，对数字微镜阵列DMD（4）每个单元包含的m×m个微镜进行独立“开”与“关”的状态切换，独立调控各单元光斑的强度和均匀度。
3.根据权利要求2所述的一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置，其特征在于：所述的空间光调制器SLM（8）对入射光斑进行相位调制，具体为：空间光调制器SLM（8）将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元包含m×m个液晶面元，空间光调制器SLM（8）每个单元的各液晶面元与数字微镜阵列DMD（4）各单元的m×m个像素一一对应，通过对空间光调制器SLM（8）各单元内的m×m个液晶面元控制，独立调控各单元光斑的波前。
4.根据权利要求3所述的一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置，其特征在于：所述的第一凸透镜（5）和第二凸透镜（6）组成4F***一，用于将DMD（4）上的光场成像到空间光调制器SLM（8），第一凸透镜（5）和第二凸透镜（6）的焦距F1和F2满足F1/F2=dD/dS，其中dD、dS分别是数字微镜阵列DMD（4）和空间光调制器SLM（8）的像素间距；调节数字微镜阵列DMD（4）和空间光调制器SLM（8）的位置和姿态，使光束通过4F***一后，各单元光斑与空间光调制器SLM（8）上的各单元区域一一重合。
5.根据权利要求4所述的一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置，其特征在于：所述的第三凸透镜（10）和第四凸透镜（11）组成4F***二，用于将空间光调制器SLM（8）上的光场成像到微透镜阵列MLA（14）焦平面上，第三凸透镜（10）和第四凸透镜（11）的焦距F3和F4满足F3/F4=m×dS/dM，其中dM为MLA（14）的微透镜间距；调节微透镜阵列MLA（14）的横向位置，使各单元光斑分别与微透镜阵列MLA（14）各微透镜一一对应。
6.根据权利要求5所述的一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置，其特征在于：所述的第一反射镜（3）和第二反射镜（7）分别用于调整入射到数字微镜阵列DMD（4）和空间光调制器SLM（8）的入射角，其中空间光调制器SLM（8）的入射角控制在10°以内。
7.根据权利要求6所述的一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置，其特征在于：所述的微透镜阵列MLA（14）包含N×N个微透镜，用于对入射N×N个单元光斑进行聚焦，一个单元光斑对应一个微透镜，最多可在MLA（14）焦平面产生N×N焦点阵列；通过空间光调制器SLM（8）调制各单元光斑的波前，独立控制各焦点在相应微透镜光轴焦点附近的落点位置。
8.根据权利要求7所述的一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置，其特征在于：所述的方形可调光阑（13）用于限制入射到微透镜阵列MLA（14）的光斑尺寸，该方形可调光阑（13）的口径为微透镜阵列MLA（14）有效面积的大小。
9.根据权利要求8所述的一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置，其特征在于：所述的第五凸透镜（15）与微透镜阵列MLA（14）组成4F***三，微透镜阵列MLA（14）产生的焦点阵列经第五凸透镜（15）后变为以不同角度传输的平行光，并在物镜（17）入瞳面处实现光斑重叠，最终在物镜（17）焦平面上聚焦形成并行直写光斑点阵。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于多点阵产生和独立控制的双光子并行直写装置及方法，包括以下步骤：飞秒激光脉冲（1）经扩束器（2）及第一反射镜（3）后入射到数字微镜阵列DMD（4）上，数字微镜阵列DMD（4）对入射光斑进行振幅调制后，再经4F***一和第二反射镜（7）成像到空间光调制器SLM（8）上，通过空间光调制器SLM（8）对光斑进行纯相位调制，从空间光调制器SLM（8）出射的光斑再依次经过第三反射镜（9）、4F***二、第四反射镜（12）和方形可调光阑（13）入射到微透镜阵列MLA（14）上，并在微透镜阵列MLA（14）焦平面上产生焦点点阵，该点阵随后经过第五凸透镜（15）、二向色镜（16）和物镜（17），最终成像在精密位移台（18）上的物镜（17）焦平面内，进行高通量超分辨的双光子直写加工，产生的荧光经物镜（17）、二向色镜（16）反射和第六凸透镜（19）聚焦到CCD（20）上进行成像。
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