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。

光纤集成化高分辨率无标记差分显微成像系统

得益于荧光标记技术,远场超分辨显微成像技术的不断发展为人们打开了一道微观世界的大门。远场超分辨光学显微镜也成为现代医学、生命科学等领域研究发展的重要工具和设备。但是相比之下,远场无标记显微成像技术发展却相对缓慢。为此,本文提出了一种采用光纤器件的集成化差分显微成像方法。该方法通过特制的光纤模式选择耦合器(MSC)实现了差分成像系统中空心光斑的生成,并解决了空心光斑和实心光斑严格对准困难的问题。搭建了一套结构简单紧凑,高度集成化的无标记显微成像系统。实验中,采用直径为150 nm的金颗粒和最小间距约50 nm的无标记聚合物线对结构对系统进行成像测试,分辨率相较传统扫描共聚焦显微镜大幅提升。

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.

基于边缘光抑制技术的双光束激光直写纳米光刻系统

利用边缘光抑制技术,设计并研制了一套双光束激光三维直写光刻系统。该系统含有高速扫描振镜和三维纳米压电平台两组扫描机构,可以根据不同加工需求完成多种扫描模式下的微纳结构制造。分析了光刻光束中激发光与抑制光的能量变化对加工精度的影响,通过对光刻光束能量的精确控制,实现了基板表面最小线宽为64 nm的均匀线条和线宽为30 nm的悬浮线的稳定加工,加工结构的线宽变化符合理论预期。该系统在进行实用器件加工时,最高加工产率可达到0.6 mm;/min。使用该系统加工制造了多种微纳结构,证实了其具备加工大深宽比周期结构、复杂曲线结构和不规则三维结构的能力。

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.