CN117950283A - 基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置及方法，包括：激发光、抑制光均为先通过扩束器、光束整形器进行扩束和光斑匀化，再通过反射镜反射到数字微镜阵列上；激发光和抑制光从数字微镜阵列法线出射并合束，合束后的双光束通过两个透镜组成的1：1成像***入射微透镜阵列，使数字微镜阵列上的光场成像到微透镜阵列表面，并在微透镜阵列焦面产生千束边缘光抑制光斑阵列，该光斑阵列通过透镜和物镜组成的成像***，成像在位移台上样品内的物镜焦面进行刻写。本发明通过产生千束边缘光抑制直写阵列，可大幅度提升刻写通量和精度，且各边缘光抑制光斑可精准独立调谐，具有高精度调谐灰度刻写的功能。

Description

基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置及方法

技术领域

本发明涉及激光直写技术领域，尤其涉及一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置及方法。

背景技术

目前飞秒双光子直写技术精度难以突破100nm瓶颈，在飞秒光***叠加一束涡旋抑制光，即边缘光抑制（Peripheral Photoinhibition，PPI）技术，可进一步提高刻写精度。单光束PPI技术的刻写效率严重受限，多光束并行刻写的方法可有效提升刻写通量和刻写效率。文献[Xiangping Li, Yaoyu Cao, Nian Tian, Ling Fu, and Min Gu, "Multifocal optical nanoscopy for big data recording at 30 TB capacity andgigabits/second data rate," Optica 2, 567-570 (2015)]通过两个空间光调制器（Spatial light modulator，SLM）分别产生四束实心激发光和涡旋抑制光，再通过两者空间匹配得到四束独立可控PPI光斑。然而，随着PPI光斑数量的提升，各光斑的质量、均一性及独立调控能力将大幅度下降，且双光束的匹配难度将大幅度增加，目前已报道文献所实现的并行PPI光斑数量只有4束，难以提升其刻写效率，更无法实现产业化应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，包括激发光光源、第一扩束器、第一光束整形器、第一反射镜、抑制光光源、第二扩束器、第二光束整形器、第二反射镜、数字微镜阵列、第一透镜、第二透镜、微透镜阵列、第三透镜、物镜和位移台；

所述激发光光源产生入射的激发光，激发光先通过第一扩束器进行扩束，经过第一光束整形器进行光斑匀化，再通过第一反射镜将激发光反射到数字微镜阵列上；所述抑制光光源产生入射的抑制光，抑制光先通过第二扩束器进行扩束，经过第二光束整形器进行光斑匀化，再通过第二反射镜将抑制光反射到数字微镜阵列上；所述激发光和抑制光从数字微镜阵列的法线出射并进行合束，合束后的双光束通过第一透镜和第二透镜组成的1：1成像***入射微透镜阵列，使数字微镜阵列上的光场成像到微透镜阵列表面，并在微透镜阵列焦面产生千束边缘光抑制光斑阵列，该光斑阵列通过第三透镜和物镜组成的成像***，成像在位移台上样品内的物镜焦面，实现对位移台所承载样品的刻写。

进一步地，通过调节所述第一反射镜的角度使激发光从数字微镜阵列表面垂直出射；通过调节所述反射镜的角度使抑制光从数字微镜阵列表面垂直出射。

进一步地，所述数字微镜阵列表面法线沿光轴方向，内部微镜翻转轴沿竖直方向。

进一步地，所述激发光和抑制光经过扩束和光斑匀化后，分别从法线两侧以相同入射角24°入射数字微镜阵列，数字微镜阵列“开”微镜从法线方向反射所需激发光，“关”微镜从法线方向反射所需抑制光，从法线方向出射并重合的抑制光和激发光在数字微镜阵列上的光场分布互补，即无激发光的区域被抑制光全部占据，无抑制光的区域被激发光全部占据。

进一步地，以微透镜阵列中各微透镜的尺寸和分布为模板，将数字微镜阵列的微镜阵列划分成N×M个相同的子区域，每个子区域内包含n×n个微镜，各子区域成像到微透镜阵列表面并与微透镜阵列的N×M个微透镜一一重合对准，并在微透镜阵列焦面产生焦点阵列，一个子区域、一个微透镜和一个焦点一一对应；同时，对每个子区域内的n×n个微镜状态分布进行设计，每个子区域内中心微镜“开”，从数字微镜阵列法线反射激发光，其余***微镜“关”，从数字微镜阵列法线反射抑制光，该子区域内的激发光被抑制光包围，并成像到微透镜阵列表面，被一个微透镜收集，在其焦面产生一个边缘光抑制焦斑，N×M个子区域最终形成N×M个边缘光抑制焦斑。

进一步地，所述边缘光抑制光斑由中心激发光和***抑制光两部分组成。

进一步地，通过中心激发光使光刻胶发生聚合，***抑制光抑制聚合过程，从而实现超分辨高精度刻写。

进一步地，通过调节数字微镜阵列的子区域内“开”“关”微镜数量的比例，从而调控边缘光抑制光斑的激发光和抑制光的光强比，实现高精度调谐灰度刻写。

进一步地，所述边缘光抑制光斑内抑制-激发的强弱比例调节精度取决于数字微镜阵列中一个微镜在数字微镜阵列子区域内的占比。

为实现上述目的，本发明还提供了一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置的刻写方法，包括：

所述激发光光源产生入射的激发光，激发光先通过第一扩束器进行扩束，经过第一光束整形器进行光斑匀化，再通过第一反射镜将激发光反射到数字微镜阵列上；所述抑制光光源产生入射的抑制光，抑制光先通过第二扩束器进行扩束，经过第二光束整形器进行光斑匀化，再通过第二反射镜将抑制光反射到数字微镜阵列上；所述激发光和抑制光从数字微镜阵列的法线出射并进行合束，合束后的双光束通过第一透镜和第二透镜组成的1：1成像***入射微透镜阵列，使数字微镜阵列上的光场成像到微透镜阵列表面，并在微透镜阵列焦面产生千束边缘光抑制光斑阵列，该光斑阵列通过第三透镜和物镜组成的成像***，成像在位移台上样品内的物镜焦面，实现对位移台所承载样品的刻写。

本发明的有益效果是：本发明利用数字微镜阵列（Digital MicromirrorDevices，DMD）和微透镜阵列(Microlens array，MLA)产生千束独立可控的焦点阵列，同时结合激发光和抑制光双光束形成边缘光抑制PPI光斑的特性，得到千束独立可调的PPI光斑阵列，该装置不仅结构简单，且可将刻写通量提升千倍，同时，可大幅度提升刻写精度，突破刻写速度和刻写精度无法兼顾的瓶颈；此外，千束PPI中各光斑内部激发光和抑制光的比例可精准调控，使得本发明兼具高精度调谐的灰度刻写能力。综上，本发明具有超高通量、高精度、独立调控、复杂结构灵活刻写、灰度刻写的三维加工能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置的结构示意图；

图2为本发明中产生千束独立调控PPI光斑阵列的示意图；

图3为本发明中各PPI子光斑内激发光和抑制光强弱比例精准调节的示意图；

图4为本发明中利用PPI光斑阵列进行灰度刻写的示意图。

图中，激发光光源1、第一扩束器2、第一光束整形器3、第一反射镜4、抑制光光源5、第二扩束器6、第二光束整形器7、第二反射镜8、数字微镜阵列9、第一透镜10、第二透镜11、微透镜阵列12、第三透镜13、物镜14、位移台15。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。显而易见地，下面描述中使用的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

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。

本发明提供一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，如图1所示，该装置主要由激发光路、抑制光路、合束及刻写光路组成。具体包括激发光光源1、第一扩束器2、第一光束整形器3、第一反射镜4、抑制光光源5、第二扩束器6、第二光束整形器7、第二反射镜8、数字微镜阵列9、第一透镜10、第二透镜11、微透镜阵列12、第三透镜13、物镜14和位移台15。

在激发光路中，激发光光源1产生的激发光先通过第一扩束器2进行扩束，再经过第一光束整形器3对光斑在空间的强度分布进行匀化，使光斑从高斯型变为平顶型，匀化后的光斑经第一反射镜4反射，以+24°角入射到数字微镜阵列9，数字微镜阵列9内微镜翻转的轴沿竖直方向，“开”微镜从数字微镜阵列9表面法线反射出激发光。

在抑制光路中，抑制光光源5产生的抑制光同样先后经过第二扩束器6和第二光束整形器7进行扩束和光斑匀化，匀化后的光斑经第二反射镜8反射，以-24°角入射到数字微镜阵列9，即激发光和抑制光入射数字微镜阵列9的光路相对于其法线对称，“关”微镜从数字微镜阵列9表面法线反射出抑制光。

在合束及刻写光路中，激发光和抑制光从数字微镜阵列9的法线出射并进行合束，随后通过第一透镜10和第二透镜11组成的4F***（1：1成像***）将数字微镜阵列9表面的光场1：1成像到微透镜阵列12前表面。如图2所示，数字微镜阵列9划分为千个子区域，每个子区域通过成像覆盖到微透镜阵列12的一个微透镜上，并在微透镜阵列12焦面产生一个焦点，从而形成千级焦点阵列；每个子区域包含n×n个微镜，子区域内中心微镜“开”，出射激发光，***微镜“关”，出射抑制光，激发光被抑制光包围，在微透镜阵列12焦面形成一个边缘光抑制光斑，从而得到千束独立可调的边缘光抑制光斑阵列，最终通过第三透镜13和物镜14组成的成像***，将该光斑阵列成像到位移台15上样品内的物镜14焦面，实现对位移台15所承载样品的刻写，具有高通量、高精度、高灵活性的三维刻写优势。

如图3所示，通过调节数字微镜阵列9子区域内“开”微镜和“关”微镜数量的比例，可精确调节边缘光抑制光斑内激发光和抑制光的相对强弱。由于数字微镜阵列9子区域内微镜数量固定，“关”微镜数越多，“开”微镜数越少，相应地，边缘光抑制光斑内抑制光越强，激发光越弱，因此抑制强度增加，聚合程度降低，刻写精度更高，结构尺寸更小；边缘光抑制光斑内抑制-激发的强弱比例调节精度取决于数字微镜阵列9一个微镜在子区域内的占比，如数字微镜阵列9中一个子区域内包含n×n个微镜，则调节精度为1/n×n。其中，为了使得刻写焦点与背景旁瓣的对比度更高，子区域内“关”微镜对称地分布在***。

数字微镜阵列9表面法线沿光轴方向，内部微镜翻转轴沿竖直方向；激发光和抑制光在经过扩束和光斑匀化后，分别从法线两侧以相同入射角24°入射数字微镜阵列9，数字微镜阵列9“开”微镜从法线方向反射所需激发光，“关”微镜从法线方向反射所需抑制光，从法线方向出射并重合的抑制光和激发光在数字微镜阵列9上的光场分布严格互补，即无激发光的区域被抑制光全部占据，无抑制光的区域被激发光全部占据。

数字微镜阵列9微镜状态分布须严格设计。数字微镜阵列9和微透镜阵列12之间通过第一透镜10和第二透镜11组成的1：1成像***，将数字微镜阵列9上的光场成像到微透镜阵列12表面；以微透镜阵列12中各微透镜的尺寸和分布为模板，将数字微镜阵列9的微镜阵列划分成N×M个相同的子区域，每个子区域内包含n×n个微镜，各子区域成像到微透镜阵列12表面并与微透镜阵列12的N×M个微透镜一一重合对准，并在微透镜阵列12焦面产生焦点阵列，一个子区域、一个微透镜和一个焦点一一对应；同时，还需要对每个子区域内的n×n个微镜状态分布进行设计，每个子区域内中心部分微镜“开”，从数字微镜阵列9法线反射激发光，其余***微镜“关”，从数字微镜阵列9法线反射抑制光，该子区域内的激发光被抑制光包围，并成像到微透镜阵列12表面，被一个微透镜收集，在其焦面产生一个边缘光抑制焦斑，N×M个子区域最终形成N×M个边缘光抑制焦斑；目前商业数字微镜阵列9的微镜数量足以支持上千个这样的子区域产生，可实现成千上万个边缘光抑制光斑。

微透镜阵列12中微透镜的尺寸不一定是数字微镜阵列9中微镜尺寸的整数倍，因此子区域的尺寸可能与微透镜的大小存在细微差异，为实现数字微镜阵列9各子区域与微透镜阵列12各微透镜的空间匹配及对准，使子区域中心与微透镜中心尽量靠近，各子区域按非周期分布，各子区域的间距可能偏差1个像素左右。

边缘光抑制光斑由中心激发光和***抑制光两部分组成，中心激发光使光刻胶发生聚合，***抑制光抑制聚合过程，从而实现超分辨刻写，提高刻写精度。

数字微镜阵列9的子区域内“开”、“关”微镜数量的比例可精确调节，从而调控边缘光抑制光斑的激发光和抑制光的光强比，实现高精度调谐灰度刻写。

为了更好地说明本装置在灰度刻写方面的能力，给出如图4所示的举例说明。如刻写一个类似平凸透镜的半球型灰度微结构，采用千束边缘光抑制焦点并行刻写，在灰度微结构更厚的区域，通过调节边缘光抑制光斑的激发光更强、抑制光更弱，以得到更大的聚合体素，灰度结构更薄的区域；通过调节边缘光抑制光斑的激发光更弱、抑制光更强，以得到更小的聚合体素。每个刻写边缘光抑制光斑在各自对应的子区域内进行扫描，完成相应子区域的结构刻写，各子区域拼接后即可完成整个微结构的灰度加工。

本发明还提供了一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写方法，基于上述的超分辨灰度刻写装置实现。

该方法包括：激发光光源1产生入射的激发光，激发光先通过第一扩束器2进行扩束，经过第一光束整形器3进行光斑匀化，再通过第一反射镜4将激发光反射到数字微镜阵列9上；所述抑制光光源5产生入射的抑制光，抑制光先通过第二扩束器6进行扩束，经过第二光束整形器7进行光斑匀化，再通过第二反射镜8将抑制光反射到数字微镜阵列9上；所述激发光和抑制光从数字微镜阵列9的法线出射并进行合束，合束后的双光束通过第一透镜10和第二透镜11组成的1：1成像***入射微透镜阵列12，使数字微镜阵列9上的光场成像到微透镜阵列12表面，并在微透镜阵列12焦面产生千束边缘光抑制光斑阵列，该光斑阵列通过第三透镜13和物镜14组成的成像***，成像在位移台15上样品内的物镜14焦面，实现对位移台15所承载样品的刻写。

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)

1.一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，包括激发光光源（1）、第一扩束器（2）、第一光束整形器（3）、第一反射镜（4）、抑制光光源（5）、第二扩束器（6）、第二光束整形器（7）、第二反射镜（8）、数字微镜阵列（9）、第一透镜（10）、第二透镜（11）、微透镜阵列（12）、第三透镜（13）、物镜（14）和位移台（15）；

所述激发光光源（1）产生入射的激发光，激发光先通过第一扩束器（2）进行扩束，经过第一光束整形器（3）进行光斑匀化，再通过第一反射镜（4）将激发光反射到数字微镜阵列（9）上；所述抑制光光源（5）产生入射的抑制光，抑制光先通过第二扩束器（6）进行扩束，经过第二光束整形器（7）进行光斑匀化，再通过第二反射镜（8）将抑制光反射到数字微镜阵列（9）上；所述激发光和抑制光从数字微镜阵列（9）的法线出射并进行合束，合束后的双光束通过第一透镜（10）和第二透镜（11）组成的1：1成像***入射微透镜阵列（12），使数字微镜阵列（9）上的光场成像到微透镜阵列（12）表面，并在微透镜阵列（12）焦面产生千束边缘光抑制光斑阵列，该光斑阵列通过第三透镜（13）和物镜（14）组成的成像***，成像在位移台（15）上样品内的物镜（14）焦面，实现对位移台（15）所承载样品的刻写。

2.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，通过调节所述第一反射镜（4）的角度使激发光从数字微镜阵列（9）表面垂直出射；通过调节所述反射镜（8）的角度使抑制光从数字微镜阵列（9）表面垂直出射。

3.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，所述数字微镜阵列（9）表面法线沿光轴方向，内部微镜翻转轴沿竖直方向。

4.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，所述激发光和抑制光经过扩束和光斑匀化后，分别从法线两侧以相同入射角24°入射数字微镜阵列（9），数字微镜阵列（9）“开”微镜从法线方向反射所需激发光，“关”微镜从法线方向反射所需抑制光，从法线方向出射并重合的抑制光和激发光在数字微镜阵列（9）上的光场分布互补，即无激发光的区域被抑制光全部占据，无抑制光的区域被激发光全部占据。

5.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，以微透镜阵列（12）中各微透镜的尺寸和分布为模板，将数字微镜阵列（9）的微镜阵列划分成N×M个相同的子区域，每个子区域内包含n×n个微镜，各子区域成像到微透镜阵列（12）表面并与微透镜阵列（12）的N×M个微透镜一一重合对准，并在微透镜阵列（12）焦面产生焦点阵列，一个子区域、一个微透镜和一个焦点一一对应；同时，对每个子区域内的n×n个微镜状态分布进行设计，每个子区域内中心微镜“开”，从数字微镜阵列（9）法线反射激发光，其余***微镜“关”，从数字微镜阵列（9）法线反射抑制光，该子区域内的激发光被抑制光包围，并成像到微透镜阵列（12）表面，被一个微透镜收集，在其焦面产生一个边缘光抑制焦斑，N×M个子区域最终形成N×M个边缘光抑制焦斑。

6.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，所述边缘光抑制光斑由中心激发光和***抑制光两部分组成。

7.根据权利要求6所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，通过中心激发光使光刻胶发生聚合，***抑制光抑制聚合过程，从而实现超分辨高精度刻写。

8.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，通过调节数字微镜阵列（9）的子区域内“开”“关”微镜数量的比例，从而调控边缘光抑制光斑的激发光和抑制光的光强比，实现高精度调谐灰度刻写。

9.根据权利要求8所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，所述边缘光抑制光斑内抑制-激发的强弱比例调节精度取决于数字微镜阵列（9）中一个微镜在数字微镜阵列（9）子区域内的占比。

10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置的刻写方法，其特征在于，包括：

所述激发光光源（1）产生入射的激发光，激发光先通过第一扩束器（2）进行扩束，经过第一光束整形器（3）进行光斑匀化，再通过第一反射镜（4）将激发光反射到数字微镜阵列（9）上；所述抑制光光源（5）产生入射的抑制光，抑制光先通过第二扩束器（6）进行扩束，经过第二光束整形器（7）进行光斑匀化，再通过第二反射镜（8）将抑制光反射到数字微镜阵列（9）上；所述激发光和抑制光从数字微镜阵列（9）的法线出射并进行合束，合束后的双光束通过第一透镜（10）和第二透镜（11）组成的1：1成像***入射微透镜阵列（12），使数字微镜阵列（9）上的光场成像到微透镜阵列（12）表面，并在微透镜阵列（12）焦面产生千束边缘光抑制光斑阵列，该光斑阵列通过第三透镜（13）和物镜（14）组成的成像***，成像在位移台（15）上样品内的物镜（14）焦面，实现对位移台（15）所承载样品的刻写。