一种基于可控多点阵灰度刻写的双光子高通量直写装置和方法

本发明属于激光直写，具体涉及一种基于可控多点阵灰度刻写的双光子高通量直写装置和方法。

背景技术：

1、目前，大面积复杂微纳结构制造在重大国家战略层面与产业需求层面均具有广阔的实际应用前景，如飞机仿生减阻、大尺寸柔性触控、空间薄膜透镜等。但其制备面临的问题诸多，比如，如何在毫米级以上的尺寸上实现微/纳米级特征结构的高效光刻加工，以及如何在无需频繁更换掩模版等器件的基础上灵活制造各类微结构并对其进行排列。

2、传统的投影曝光光刻技术难以制造复杂的三维微纳结构，其每次制造前需要先设计加工相应的掩模版，价格昂贵且效率低下；电子/离子束光刻法虽具有较高的光刻分辨率，但受限于自身较低的刻写速度，难以完成大面积微纳结构的高效制造；激光直写具有成本低、刻写自由度高、工作环境要求低等优点，但受限于单点写入，仍然难以高效制造大面积的微纳结构。

3、文献[optics&laser technology, 2019, 113:407-415]通过数字微镜阵列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，具有很高的通量。但光源微透镜本身成像质量较差，且采用单光子光刻，刻写分辨率仅达3微米，难以满足普遍的光刻需求。

4、公开号为cn112596349a的发明专利申请公开了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。它利用微透镜阵列mla产生光斑阵列，并分别通过dmd和空间光调制器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。但受限于slm本身的像素尺寸，其调控精度有限，针对数量庞大的激光点阵难以实现精确的光斑扫描，并且slm本身的刷新速率较慢，难以实现快速扫描；除此以外，该系统本质上仍为步进光刻，单次仅能刻写单个视场范围，在大面积刻写时效率不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于可控多点阵灰度刻写的双光子高通量直写装置，该装置能够实现极高扫描速度的高通量超分辨并行灰度加工。

2、本发明提供了一种基于可控多点阵灰度刻写的双光子高通量直写装置，按照光前进的方向，包括飞秒激光器、扩束器、角色散补偿模块、数字微镜阵列、第二4f系统、微透镜阵列、第五透镜、像旋模块、第一二向色镜和物镜；

3、其中，所述微透镜阵列对来自数字微镜阵列的各单元光斑进行聚焦形成焦点阵列，所述焦点阵列通过第五透镜以形成不同角度传输的平行光，以便在双光子光刻胶上形成并行直写光斑阵列；

4、所述像旋模块用于改变所述平行光的传输方向，以便控制并行直写光斑阵列的旋向角度。

5、优选地，所述角色散补偿模块包括闪耀光栅和第一4f系统；

6、所述闪耀光栅用于对从数字微镜阵列出射的光束的角色散进行补偿。调节闪耀光栅的位置和姿态，使光束通过第一4f系统从dmd出射以后，光束的角色散得到抑制。

7、进一步优选地，所述第一4f系统包括第一凸透镜和第二凸透镜。

8、第一4f系统用于将闪耀光栅的光场成像到数字微镜阵列dmd，第一凸透镜和第二凸透镜的焦距f1和f2满足f1/f2=dθ2/dθ1，其中dθ1、dθ2分别是闪耀光栅和数字微镜阵列dmd的角色散。

9、优选地，所述数字微镜阵列包括m×n个微镜阵列单元，光束通过每个微镜阵列单元形成对应的单元光斑。

10、本发明提供各微镜阵列单元包含多个微镜，通过对各个微镜的独立“开”与“关”的状态进行切换，以对单元光斑的强度和均匀度进行调控，得到强度均一的单元光斑，从而提升了对光刻胶的光刻精度。

11、优选地，所述第二4f系统包括第三凸透镜、第四凸透镜和反射镜。

12、所述第二4f系统用于将数字微镜阵列dmd上的光场成像到微透镜阵列mla平面上，使得数字微镜阵列dmd的每个微镜阵列单元包含的k×k个微镜能够独立且对应地控制mla上的微透镜光束，通过对通过微透镜的k×k个微透镜光束的控制，使得各微透镜形成的焦点的强度均一。

13、优选地，所述微透镜阵列mla包含m×n个微透镜，单元光斑与微透镜一一对应。所述微透镜阵列用于对入射m×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焦平面产生m×n焦点阵列。

14、优选地，所述的第五凸透镜与微透镜阵列mla组成第三4f系统，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。

15、优选地，所述像旋模块为类道威棱镜结构，光线经过此模块后被颠倒180°。此模块以其光轴为轴旋转时，像的旋转角为棱镜旋转角的两倍。通过控制像旋模块，能够控制光斑阵列的旋向角度，从而控制扫描时的刻写重合区域，实现可控灰阶的灰度刻写。

16、优选地，所述基于可控多点阵灰度刻写的双光子高通量直写装置还包括成像单元，所述成像单元包括第二二向色镜、分束镜、照明发光二极管led和电荷耦合器件ccd成像模块；

17、所述照明led发出的照明光经过分束镜、第二二向色镜、第一二向色镜、物镜照射至焦平面，再原路返回至ccd成像模块上成像。

18、优选地，所述基于可控多点阵灰度刻写的双光子高通量直写装置还包括锁焦模块，所述锁焦模块产生锁焦激光依次经过第二二向色镜、第一二向色镜、物镜照射至焦平面，再原路返回至锁焦模块，通过探测返回光确定焦平面的位置。本发明通过锁焦模块的探测保证激发光始终聚焦于大面积高精度位移台上的光刻胶中。

19、优选地，灰阶级数x与直写光斑阵列的列数n、旋向角度θ的关系如下式所示：

20、tanθ=(x-1)/n

21、其中，θ≤45°，列数n能够被x-1整除。

22、本发明通过使用像旋模块控制激光阵列的旋向角度，从而在大面积高精度位移台匀速扫描时控制刻线的横向均匀分布，实现不同灰阶的灰度刻写。为了保证各刻线具有相同的灰阶级数，光斑阵列的列数n需要被x-1整除。如果出现未被整除的情况，本发明还能够通过数字微镜阵列中的微镜开关调控来消除某一列的光束实现整除，达到冗余设计、提高调控稳定性的目的。

23、优选地，所述双光子光刻胶包括光引发剂、成膜树脂和溶剂；

24、所述光引发剂为7-二乙基氨基-3-噻吩甲酰基香豆素，所述成膜树脂为甲基丙烯酸-氧化锆复合物，所述溶剂为丙二醇单甲醚乙酸酯；

25、所述光引发剂在光刻胶中的组分占比范围为0.01 wt%~3 wt%，所述成膜树脂在光刻胶中的组分占比范围为5 wt%~30 wt%，所述溶剂在光刻胶中的组分占比范围为70 wt%~95 wt%。

26、本发明将单束的飞秒激光转化为万束激光，激光的能量下降明显。本发明通过在光刻胶中引入能够高效进行化学反应的甲基丙烯酸-氧化锆复合物，并调控光刻胶中光引发剂的含量，从而降低了整体光刻胶的光化学反应的引发难度，使得本发明提供的双光子光刻胶在较低的飞秒激光能量下依然能够顺利完成光引发，进行光刻。具体的，光刻胶中的光引发剂在较低能量的飞秒激光的照射下发生分解，产生的活性物种能够进一步高效引发甲基丙烯酸-氧化锆复合物发生聚合/团聚的化学反应，从而改变了光刻区域的光刻胶在显影剂中的溶解能力，实现双光子直写光刻。

27、本发明还提供了一种双光子直写方法，采用所述基于可控多点阵灰度刻写的双光子高通量直写装置进行直写，包括：

28、飞秒激光经扩束器扩束后照射至闪耀光栅上；

29、被预补偿角色散后经过第一4f系统照射至数字微镜阵列dmd上；

30、数字微镜阵列dmd对入射光斑进行振幅调制后，再经第二4f系统和反射镜成像到微透镜阵列mla上，并在微透镜阵列mla焦平面上产生焦点点阵；

31、该焦点点阵随后经过第五凸透镜、旋像模块、二向色镜和物镜，最终成像在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；

32、led产生的照明光经分束镜、第二二向色镜、第一二向色镜、物镜照射至焦平面，再原路返回至ccd成像模块上进行成像；

33、锁焦模块产生锁焦激光依次经过第二二向色镜、第一二向色镜、物镜照射至焦平面，再原路返回至锁焦模块，通过探测返回光确定焦平面的位置。

34、优选地，使用像旋模块控制激光阵列的旋向角度，从而在位移台匀速扫描时控制刻线的横向分布，实现不同灰阶的灰度刻写。

35、该方法能够根据实际的刻写需求调整设备的刻写策略，使得其兼具高通量与2.5d高精度灰度刻写的优势。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

37、本发明通过对微透镜阵列和数字微镜阵列的协同调控得到强度均一的焦点阵列，从而实现对并行直写光斑阵列的列数和光束间距的精准调控，达到精准控制刻线间距的目的，实现大面积高通量的任意图形刻写曝光。本发明还通过像旋模块控制并行直写光斑阵列的旋向角度，通过控制旋向角度和刻线间距实现高精度的灰度刻写。