基于飞秒激光的高速双光子刻写技术

基于飞秒激光的双光子聚合(two-photon polymerization,TPP)加工技术一直是三维微纳加工技术中的研究热点。随着生命科学、材料工程、微纳光学等领域对复杂、大面积微型三维器件制备需求的提升,TPP加工效率不足的问题日益严重,加工时间过长不仅造成加工结构的不稳定,更是严重阻碍这些重要三维器件的进一步推广应用。本文以TPP加工效率提升方面的研究工作为主线,分别从单光束刻写、并行多光束刻写、面曝光和体曝光四个方式进行总结与对比,阐述相应的光学系统设计、刻写策略、刻写精度与通量等方面的研究情况,总结各种技术的优势与劣势,同时展望未来发展趋势。

分离式调控的高精度光束指向稳定系统

光束指向稳定系统基于对光束位置和角度的控制,能够实现对光束指向的高精度主动控制,在微纳光刻及超分辨成像等领域中发挥着重要的作用。为了实现光束的长时间指向稳定,提出一种分离式调控的小型化光束指向稳定系统,消除了传统方案中双反射镜校正带来的耦合误差,大幅度提升了光束指向精度的控制性能。对比测试结果表明,基于该方法的光束指向稳定系统对光束位置的稳定精度(RMS值)可达0.3μm,角度稳定精度(RMS值)达到1μrad;施加一定幅度的主动扰动后的测试结果表明,该系统在较大的光源抖动下仍能保持同一量级的稳定精度。相比于同样测试条件下的两种商业化光束指向稳定系统,其位置抖动与角度抖动性能可提高50%以上。

基于边缘光与化学抑制方法的三维结构表面粗糙度优化研究(特邀)

表面粗糙度是影响激光直写技术制备微纳光学器件质量的核心参数之一,其对于曲面类光场调控微纳器件的性能来说至关重要。在传统的刻写方法中,过低的轴向分辨率会对弯曲轮廓器件的表面粗糙度产生不利影响,使其产生不必要的台阶状痕迹,从而影响器件的光学性能。目前主要采用刻写策略优化的方式降低器件的表面粗糙度,如环形扫描方法以及将表面聚合与整体曝光固化相结合的方法。本课题组分别基于边缘光抑制技术与化学抑制技术,研究了轴向刻写特征尺寸的压缩对平面结构表面粗糙度的影响。进一步,本课题组结合两种抑制技术,提出了一种通过降低轴向分辨率来降低光学器件表面粗糙度的方法,利用此方法刻写的微透镜的表面均方根粗糙度为6.84 nm。该技术为复杂光学器件制备中表面粗糙度的优化提供了参考。

Method for active spatial alignment and stabilization of laser beams in multi-beam systems

We propose a new method for the development of multi-beam systems for the spatial alignment and stability of beams based on the error separation technique.This method avoids alignment errors caused by coupling effect of piezoelectric devices,inaccurate correction calculations,and detection mode of the angular deviation.According to the results by external detectors,the error value of spatial alignment and the root mean square[RMS]of deviations under control during 1 h can be equivalent to approximately 0.87 and 1.06 nm at the sample plane under an oil immersion lens[focal length f=2 mm].The RMS of deviations is less than one-third of those currently reported for multi-beam systems;therefore,higher alignment and stability accuracy can be achieved with our proposed method.

高速并行双光子激光直写光刻系统

双光子激光直写技术以其高精度、高灵活性的特点在科研领域被广泛应用,但较低的直写速度制约了其在工业领域的应用与发展。本团队基于转镜扫描系统设计并验证了一套高速双光子激光直写光刻系统,该系统基于空间光调制器与多通道声光调制器的联合调控,实现了六通道并行刻写功能,且每个通道可独立调控,调控频率可达MHz以上。实验结果表明,每通道直写速度最高可达7.770 m/s,刻写特征尺度最小为150 nm,并行刻写时的最高直写速度可达46.62 m/s。此外,本团队基于反射式像旋转器设计了一种高精度调节通道间距的方法,调节精度优于1 nm。

聚乙烯吡咯烷酮杂化双色光敏激光直写光刻胶研究

有机高分子光刻胶是双色光敏激光直写技术实现微纳制造的介质和载体,直接影响了其所制造微纳结构的精度、真实度等性能.采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为杂化组分,引入到季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)活性单体中,以调控光刻胶的黏度、力学强度、体积收缩率和聚合反应速度等.结果表明,PVP与PETA存在氢键相互作用,可作为交联位点,提高光刻胶的交联度.同时,PVP的引入使得体系黏度增加,可降低氧阻聚效应,有效地提升了光刻胶中PETA的光聚合单体转化率(30.1%),获得了更高的灵敏度和更低聚合阈值(6.5 mW,20 wt%PVP).此外,PVP的引入还使得光刻胶的体积收缩率由18%降为3%,大幅减少了所制造结构的内应力,改善了光刻精度和微纳结构的真实度.最终,由PVP杂化光刻胶加工的线条精度高达48 nm,且比无PVP光刻胶具有更高的均匀性和规整度.本研究对高精度及高质量微纳制造和多种应用都具有重要的意义.