CN217493057U - 一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置，涉及激光加工设备技术领域，包括装置本体，装置本体上沿激光出射路径依次设置有激光器、扫描模块、聚焦模块、数字微镜、投影延迟模块、物镜、三维平台，装置本体上还设置有界面探测模块、功率控制模块、显微成像模块、信号控制模块，界面探测模块位于扫描模块之前，显微成像模块用于对加工物体实时成像。能够大幅提高纳米级三维激光直写的加工效率。

Description

一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工设备技术领域，尤其涉及一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置及方法。

背景技术

超快激光加工具有非接触、热效应小、加工精度高、加工材料广泛等优势，被广泛应用于激光微纳加工领域。并且，借助于超快激光与在光敏材料中产生的多光子聚合非线性效应，还能完成三维的超精细加工，实现100纳米以下精度的三维结构的精密加工，在实现多层三维光学高密度信息存储，在制作光波导、分束器和耦合器等光子芯片集成，以及在制造生物芯片和微纳光学器件等很多领域都有重要应用。

虽然基于多光子效应的超快激光加工可以实现高精度纳米级的三维加工，但是此加工技术的最大缺点是加工效率不高。传统的单点扫描式超快激光微纳加工技术每次只能加工一个微结构单元，完成整体结构加工，一般需要几十分钟甚至几小时的时间。由于加工效率低，达不到微纳加工产业化的要求，很大程度上制约了超快激光加工技术在微纳制造领域的发展及应用。为了能提高超快激光微加工过程中的加工效率，主要采用并行加工的方法。目前使用传统的并行加工方法主要有：多激光器法【CN201310537641.6】和多振镜法【CN201610362376.6】，这些方法在装置中增加多个激光器或者多个扫描振镜来提高加工效率，但此方法大大增加了生产成本，同时受限于协同控制加工的时序性，实际加工速度提高不大。除此之外，还有使用分光元件(比如微透镜阵列、衍射光学元件等)将入射光分成多光束，实现多焦点并行加工；或者利用空间光调制器调制入射光场，实现无掩模图形化加工【CN202110768796.5，光学学报，40(10)：1014004，2020】等。但这些方法不能对光束进行独立控制，只能加工规则排列的阵列结构，缺乏控制的灵活性，同时难以实现对多光束的动态精确控制，不能对复杂的结构进行精细加工，加工效率提升有限。为了进一步增大加工速度，最近提出了一种基于数字微镜(DMD)技术的纳米级三维加工技术【Science 366,105–109(2019)；Nano Lett.2021,21,3915-3921；Light:Science&Applications(2021)10:199】，此技术作为一种图案化微纳加工技术，通过一次曝光就实现纳米级特征尺寸的图案加工。虽然这种通过在空间和时间上聚焦超快激光来实现基于投影的层与层之间的并行图案式加工，可以有效地提高纳米级加工的效率，但同时也存在一些问题。首先，利用超快激光投影加工时，一般使用超短激光脉冲，因此在加工过程中超短脉冲激光经过数字微镜阵列后会引起色散，影响加工结构的质量。其次，这种技术利用的是数字微镜和物镜之间的物象关系，利用数字微镜的单个像素的投影成像来实现图案式加工，因此很难完全利用物镜的高数值孔径聚焦效应，因此在轴向方向上很难实现高分辨率的三维加工。最后，最主要的问题是，基于数字微镜实现的投影物象关系，导致聚焦激光得功率密度严重不足。在整个数字微镜的投影聚焦面上，普通激光器很难聚焦实现多光子聚合反应，需要非常高功率的激光器来实现。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中的不足，本实用新型提供了一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置，以提高纳米级三维激光直写的加工效率。

本实用新型为了解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置，包括装置本体，装置本体上设置有激光器、功率控制模块、扫描模块、聚焦模块、数字微镜、投影延迟模块、物镜、三维平台、界面探测模块、显微成像模块、信号控制模块、计算机；所述激光器出射的激光用于与加工物质相互作用，加工出所需的结构及器件；所述功率控制模块用于控制激光的功率大小及开关光；所述扫描模块用于激光沿二维方向的高速偏转；所述聚焦模块用于将发生偏转的激光聚焦在数字微镜器件上，且保证焦点在整个数字微镜平面上大小不变；所述数字微镜器件用于调制激光，控制扫描激光焦点在不同位置处的开关光；所述投影延迟模块用于将从数字微镜反射回的激光准直为平行光束，且光束大小与物镜通光孔匹配；物镜用于激光的紧聚焦，可以将从整个数字微镜调制的扫描激光焦点缩放为加工的图案；所述三维平台用于移动加工物体，配合数字微镜实现三维结构的加工；所述界面探测模块用于加工界面的探测；所述显微成像模块可以对加工区域实时成像，用于加工过程的实时检测；所述信号控制模块用于整个装置的信号同步和控制；所述计算机用于操控整个装置及加工过程的控制。

整个装置的工作过程为：首先，从激光器出射的激光经功率控制模块调制后，进入扫描模块，扫描模块可以将激光光束在二维方向上发生偏转；扫描偏转的激光经聚焦模块后，将激光光束聚焦为一个焦点，焦点可以沿着数字微镜阵列面上每个像素扫描移动；经数字微镜调制后，激光焦点经投影延迟模块后变为平行光；准直后的平行光入射到物镜，经物镜聚焦后形成扫描图案式焦点，可以在样品池中加工出所需的三维结构物体。装置中的界面探测模块加在扫描模块之前，可以用于自动聚焦定位加工界面和加工过程中加工位置的判断；显微成像模块可以对加工物体实时成像。其中，扫描模块、聚焦模块、投影延迟模块和物镜组成一个4f光学***，数字微镜置于4f***第一个焦距上。数字微镜上的单个像素经投影延迟模块后进入物镜的光束为平行光，可以有效利用物镜的数值孔径。

激光器为飞秒激光器，出射的515nm飞秒激光。

功率控制模块包括声光调制器，通过声光调制器控制激光功率和开关光。

扫描模块包括双轴高速扫描振镜组件，双轴高速扫描振镜组件将入射的飞秒激光光束在二维方向上发生偏转扫描。双轴高速扫描振镜组件前设置有第一分束器，第一分束器用于将探测光合束到光路中。

聚焦模块包括焦距f1＝200mm聚焦透镜、全反射棱镜，聚焦透镜用于将扫描激光聚焦到数字微镜上；全反射棱镜用于改变入射到数字微镜上的入射角度，使得出射光衍射效率最高。

投影延迟模块包括焦距f2＝200mm准直透镜，准直透镜用于将DMD出射的激光准直为平行光。准直透镜后设置有第二分束器，第二分束器为一二向色镜，用于显微成像光与加工光的分束。

物镜为油浸物镜，可以进入到样品池中，样品池里装有光刻胶。

界面探测模块包含有探测光源、光电探测器件、控制器件，用于加工过程中的界面定位。

显微成像模块包含有LED照明光源、成像探测器、控制器；控制卡用于整个装置的信号同步和控制；计算机用于操控整个装置及加工过程的控制。

从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：

本申请与传统投影加工装置的最大不同之处在于，利用聚焦的焦点扫描整个数字微镜阵列，将经数字微镜调制后的扫描焦点投影到物镜焦平面上，实现扫描投影加工。其中，扫描模块、聚焦模块、投影延迟模块和物镜组成一个4f光学***，数字微镜置于4f***第一个焦距上，此装置DMD面与加工面不是物象关系，不需要匀光***；主要基于焦点对焦点扫描投影成像加工，需要的激光功率低，可大大降低成本。数字微镜阵列的每个像素调制的激光进入物镜时为平行光可以有效利用物镜的高数值孔径，易于实现非线性聚合，同时实现三维方向上的高分辨加工。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本申请具体实施方式中所述一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置的示意图；

图中，1-激光器，2-声光调制器，3-第一分束器，4-双轴高速扫描振镜组件，5-聚焦透镜，6-全反射棱镜，7-数字微镜，8-准直透镜，9-第二分束器，10-物镜，11-样品池，12-三维移动台，13-界面探测模块，14-显微成像模块，15-控制卡，16-计算机。

具体实施方式

为使得本实用新型的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

如图1所示，本实用新型还提供了一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置。包括：

激光器、功率控制模块、扫描模块、聚焦模块、数字微镜器件、投影延迟模块、物镜、三维平台、界面探测模块、显微成像模块、信号控制模块、计算机。其中，激光器出射的激光用于与加工物质相互作用，加工出所需的结构及器件；功率控制模块用于控制激光的功率大小及开关光；扫描模块用于激光沿二维方向的高速偏转；聚焦模块用于将发生偏转的激光聚焦在数字微镜器件上，且保证焦点在整个数字微镜平面上大小不变；数字微镜器件用于调制激光，控制扫描激光焦点在不同位置处的开关光；投影延迟模块用于将从数字微镜反射回的激光准直为平行光束，且光束大小与物镜通光孔匹配；物镜用于激光的紧聚焦，可以将从整个数字微镜调制的扫描激光焦点缩放为加工的图案；三维平台用于移动加工物体，配合数字微镜实现三维结构的加工；界面探测模块用于加工界面的探测；显微成像模块可以对加工区域实时成像，用于加工过程的实时检测；信号控制模块用于整个装置的信号同步和控制；计算机用于操控整个装置及加工过程的控制。

整个装置的工作过程为：首先，从激光器出射的激光经功率控制模块调制后，进入扫描模块，扫描模块可以将激光光束在二维方向上发生偏转；扫描偏转的激光经聚焦模块后，将激光光束聚焦为一个焦点，焦点可以沿着数字微镜阵列面上每个像素扫描移动；经数字微镜调制后，激光焦点经投影延迟模块后变为平行光；准直后的平行光入射到物镜，经物镜聚焦后形成扫描图案式焦点，可以在样品池中加工出所需的三维结构物体。装置中的界面探测模块加在扫描模块之前，可以用于自动聚焦定位加工界面和加工过程中加工位置的判断；显微成像模块可以对加工物体实时成像。其中，扫描模块、聚焦模块、投影延迟模块和物镜组成一个4f光学***，数字微镜置于4f***第一个焦距上。数字微镜上的单个像素经投影延迟模块后进入物镜的光束为平行光，可以有效利用物镜的数值孔径。

上述装置的具体实施方法其包括以下步骤：

A1.将激光器出射的激光引入到一个光束扫描装置中；

A2.将从扫描装置中出射的激光聚焦到数字微镜上；

A3.在数字微镜上加载待加工的图案；

A4.将经过数字微镜调制后的激光经一个延迟透镜进行光路延长；

A5.将经延迟透镜后的激光引入到一个物镜中，实现聚焦扫描加工；

A6.通过控制加载到数字微镜上的图案与移动台的运动实现三维结构的加工。

本实用新型与现有技术的基本原理不同，其具体理论分析如下：

现有技术【Science 366,105–109(2019)；Nano Lett.2021,21,3915-3921；Light:Science&Applications(2021)10:199】的一种投影图案化加工装置原理图。设入射到DMD数字微镜上的场分布为U_i，加载到DMD上的图案为二元值场分布为H(x_d,y_d)，x_d和y_d为DMD的空间坐标，其可以看为一个二维的光栅阵列，当平面光入射到DMD面时，由其引起的色散相位为φ_DMD，脉冲倾斜相位为φ_PFT，则离开DMD的光场为

U_d＝U_iHφ_DMDφ_PFT (公式1)

则到达物镜后孔径面上的场为DMD调制面场分布的傅里叶变换，即，

其中，(x_b,y_b)为物镜后孔径面坐标，f₁为透镜L2的焦距。因此，经过物镜后达到加工成像面的场分布为

其中，n为加工光敏材料的折射率，f₂为物镜的焦距，z为加工面与物镜聚焦面之间的距离，P(x_b,y_b)为物镜入射光瞳的切趾函数，(x_f,y_f)为加工面坐标分量。

因此，从以上分析可以看出，此装置其主要工作原理为数字微镜阵列面P1与加工面P2呈物象关系。为实现投影加工，需要利用匀光***使进入数字微镜的激光变为能量均匀分布的平顶光，这种物象对应关系是数字微镜的每一个像素与加工像面一一对应，而且每个像素在物镜入瞳时不是平行光入射，无法充分利用物镜的高数值孔径，此原理在利用双光子或多光子聚合实现纳米加工时，需要非常高的激光功率。同时，加工过程中一般使用的是超短脉冲激光，因此在经过数字微镜(DMD)时会发生色散效应，影响加工的质量，且很难提高三维方向上的加工分辨率。

本申请与现有技术的最大不同是，数字微镜阵列面P1与加工面P2是一一对应的焦平面。此时，入射到DMD数字微镜上的场分布为聚焦焦点可以写为∑δ_i(x_d,y_d)，δ_i表示不同扫描位置处的焦点，通过扫描模块的调制，可以移动到DMD上每个阵列微镜的位置处。聚焦扫描焦点经加载到DMD上的图案H(x_d,y_d)调制后，则离开DMD的光场为

U_d＝∑δ_iH (公式4)

则经准直透镜后，到达物镜后入射光瞳处的场为DMD调制面场分布的傅里叶变换，即，

公式5表明经L2准直后成为一平面光波。经过物镜后达到聚焦面的场分布为

其中，c为一常数，此公式6表明经DMD调制后的扫描焦点到达物镜聚焦面处同样为一焦点，因此扫描整个DMD微镜阵列像元后，在物镜的聚焦面可以加工出DMD面上的调制图案。

从以上原理分析可以看出，本实用新型申请的一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置，进入数字微镜的激光不再需要能量均匀分布的平顶光，而是聚焦光束，其焦点与数字微镜阵列面重合，可以利用扫描模块使得焦点沿数字微镜阵列面移动扫描，将经数字微镜调制后的焦点扫描图像对应到物镜的聚焦面上。因此不需要匀光***，避免了数字微镜阵列的衍射色散效应，且数字微镜上每个像素点对应进入物镜的光束为平行光，可以有效利用物镜的数值孔径，实现紧聚焦加工。同时投影到DMD的光与物镜聚焦后的光斑一一对应，充分利用了激光能量与物镜的数值孔径，避免了面投影中双光子聚合或多光子聚合对高功率激光的依赖性以及可以在三维方向上实现高精度的纳米级加工。

具体的，该装置包括飞秒激光器1；声光调制器2用于控制激光功率和开关光；第一分束器3用于将探测光合束到光路中；双轴高速扫描振镜组件4用于偏转激光；焦距f1＝200mm聚焦透镜5用于将扫描激光聚焦到数字微镜7上；全反射棱镜6用于改变入射到数字微镜7上的入射角度，使得出射光衍射效率最高；焦距f2＝200mm准直透镜8用于将DMD出射的激光准直为平行光；第二分束器9为一二向色镜，用于显微成像光与加工光的分束；物镜10的数值孔径NA＝1.3，放大倍数100倍，可以将加载到DMD上的图案缩小；物镜10为一油浸物镜可以进入到样品池11中，样品池11里装有光刻胶；三维移动台12可以实现三维方向上的精密移动；界面探测模块13包含有探测光源、光电探测器件、控制器件，用于加工过程中的界面定位；显微成像模块14包含有LED照明光源、成像探测器、控制器；控制卡15，用于整个装置的信号同步和控制；计算机16用于操控整个装置及加工过程的控制。

具体地，从激光器1出射的515nm飞秒激光，经声光调器制2后，进入双轴高速扫描振镜组件4，将入射的飞秒激光光束在二维方向上发生偏转扫描；偏转的激光再经聚焦透镜5和通过全反射棱镜6后，反射聚焦到数字微镜7上，通过扫描振镜4的控制，焦点可以沿着数字微镜7的阵列面上每个像素扫描移动。数字微镜7上通过计算机16控制加载有图案。扫描的焦点经数字微镜7调制后，出射的激光在不同扫描位置处激光功率受加载到数字微镜7上的图案决定。然后，经调制后的激光焦点透过全反射棱镜6后，入射到准直透镜8后出射为平行光。准直后的平行光再入射到物镜10，经物镜10聚焦后进入样品池11中。通过改变不同的图案到数字微镜7上，可以在样品池11中加工出不同结构的物体。通过控制卡15连接数字微镜7及三维移动平台12，实现三维结构的加工。装置中的界面探测模块13加在双轴扫描振镜4之前，可以用于自动聚焦定位加工界面和加工过程中加工位置的判断。显微成像模块14可以对加工物体实时成像。此装置与现有技术的不同之处在于，双轴扫描振镜4、聚焦透镜5、准直透镜8和物镜10的入射光瞳面，组成一个4f光学***，且数字微镜7置于4f***第一个聚焦透镜5的焦平面上。数字微镜7上的单个像素经准直透镜8后进入物镜入射光瞳面的光束为平行光，可以有效利用物镜的数值孔径。其次，数字微镜7阵列工作面、准直透镜8、物镜10、加工面组成一个4f光学***，到达数字微镜7每个像素处的焦点与加工面(物镜焦平面)上焦点一一对应。通过快速扫描整个数字微镜7上的每个像素，实现不同扫描图案的加工。

因此，通过将数字微镜置于4f***第一个透镜的焦平面上，数字微镜调制面与加工面不是物象关系，因此，不需要复杂的匀光***；其次，利用了焦点对焦点扫描投影加工，此方法需要的激光功率低，大大降低了成本。最后，数字微镜阵列的每个像素调制的激光进入物镜时为平行光可以有效利用物镜的高数值孔径，易于实现非线性聚合，同时实现三维方向上的高分辨加工。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”、“外侧”、“内侧”等(如果存在)是用于区别位置上的相对关系，而不必给予定性。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，包括装置本体，装置本体上沿激光出射路径依次设置有激光器、扫描模块、聚焦模块、数字微镜、投影延迟模块、物镜、三维平台，装置本体上还设置有界面探测模块、功率控制模块、显微成像模块、信号控制模块，界面探测模块位于扫描模块之前，显微成像模块用于对加工物体实时成像。

2.如权利要求1所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，激光器为飞秒激光器。

3.如权利要求1所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，功率控制模块包括声光调制器，声光调制器用于控制激光功率和开关光。

4.如权利要求1所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，扫描模块包括双轴高速扫描振镜组件，双轴高速扫描振镜组件用于将入射的飞秒激光光束在二维方向上发生偏转扫描，双轴高速扫描振镜组件前设置有第一分束器。

5.如权利要求1所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，聚焦模块包括聚焦透镜、全反射棱镜，聚焦透镜用于将扫描激光聚焦到数字微镜上，全反射棱镜用于改变入射到数字微镜上的入射角度。

6.如权利要求1所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，投影延迟模块包括准直透镜，准直透镜用于将出射的激光准直为平行光，准直透镜后设置有第二分束器。

7.如权利要求6所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，第二分束器为一二向色镜。

8.如权利要求1所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，物镜为油浸物镜。

9.如权利要求1所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，显微成像模块包含有LED照明光源、成像探测器、控制器，LED照明光源、成像探测器、控制器均安装在装置本体上。

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