本發(fā)明屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于連續(xù)激光的三維微結(jié)構(gòu)刻寫系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

雙光子聚合激光直寫技術(shù)是一種將激光束會聚成極小的光點然后對光敏材料進行曝光，直接生成微納結(jié)構(gòu)的技術(shù)，其基本原理是雙光子吸收效應(yīng)和雙光子聚合效應(yīng)。雙光子吸收效應(yīng)是一種非線性效應(yīng)，具有極強的閾值選擇性，可以“直接寫得”突破光學(xué)衍射極限的三維結(jié)構(gòu)。由于雙光子吸收需要強光激勵，因此常常采用近紅外波長的昂貴的飛秒激光器作為刻寫光源。

綜上，現(xiàn)有三維微結(jié)構(gòu)刻寫需要飛秒激光器作為刻寫光源實現(xiàn)強光激勵，成本較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于解決三維微結(jié)構(gòu)刻寫需要采用飛秒激光器以實現(xiàn)強光激勵，成本較高的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于連續(xù)激光的三維微結(jié)構(gòu)刻寫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：連續(xù)激光器、聲光調(diào)制器、物鏡、三維納米位移平臺以及光敏材料；所述連續(xù)激光器，用于發(fā)出激光；所述聲光調(diào)制器，用于調(diào)節(jié)所述激光的功率；所述物鏡，用于對聲光調(diào)制器調(diào)節(jié)功率后的激光進行會聚，得到聚焦光束，聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度大于雙光子吸收的閾值功率密度；所述光敏材料，用于在所述聚焦光束的作用下發(fā)生雙光子聚合而固化，實現(xiàn)雙光子聚合直寫，所述激光的波長不在所述光敏材料的吸收波長范圍內(nèi)，所述激光的半波長在所述光敏材料的吸收波長范圍內(nèi)，所述雙光子吸收的閾值功率密度根據(jù)所述光敏材料確定；所述三維納米位移平臺，用于承載所述光敏材料，并控制所述光敏材料在三維方向移動，以通過對所述光敏材料的逐層雙光子聚合直寫實現(xiàn)對所述光敏材料的三維微結(jié)構(gòu)刻寫。

本發(fā)明實施例相對于普通雙光子聚合激光直寫采用近紅外波長的昂貴的飛秒激光器，本發(fā)明采用低成本的連續(xù)激光器作為刻寫光源，并通過聲光調(diào)制器調(diào)節(jié)連續(xù)激光器發(fā)出的刻寫激光光源的功率，使得聚焦光束的功率密度大于雙光子吸收的閾值功率密度，實現(xiàn)了基于連續(xù)激光器的三維微結(jié)構(gòu)刻寫，大大節(jié)省了成本。

在一個可選的實施例中，該系統(tǒng)還包括：兩個壓縮光束凸透鏡，用于對所述連續(xù)激光器發(fā)出的激光進行光束壓縮，并將光束壓縮后的激光射入所述聲光調(diào)制器。

具體地，光束在射入聲光調(diào)制器前，使用兩個凸透鏡壓縮激光光束使得聲光調(diào)制器可以達到更高的衍射效率，從而保證聚焦光束能量達到足夠大，以使聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度足夠大使得光敏材料與聚焦光束束腰中心區(qū)域作用部分可以進行雙光子聚合直寫。

在一個可選的實施例中，該系統(tǒng)還包括：兩個擴束凸透鏡，用于對聲光調(diào)制器調(diào)節(jié)功率后的激光擴束，并將擴束后的激光射入物鏡。

具體地，在激光光束在射入聚焦空間物鏡前，經(jīng)過兩個凸透鏡擴束，由高斯光束的聚焦特性可知，這樣可以使得物鏡能夠獲得更小直徑的聚焦光束，以使得聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度更大。

在一個可選的實施例中，三維納米位移平臺控制所述光敏材料在三維方向移動到聚焦光束的束腰中心區(qū)域所在位置，以實現(xiàn)對待進行雙光子聚合直寫區(qū)域的雙光子聚合直寫。

具體地，通過移動三維納米位移平臺改變平臺與激光焦點束腰(激光聚焦光束束腰中心區(qū)域)的相對位置，一方面利用了三維納米位移平臺移動的高精度，使得刻寫位置的控制更為精確；另一方面也避免了通過移動激光焦點(聚焦光束束腰位置)實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)刻寫所帶來的抖動使得對光敏材料的三維微結(jié)構(gòu)的加工更為穩(wěn)定。

在一個可選的實施例中，該系統(tǒng)還包括：玻璃基片、互補性金屬氧化物半導(dǎo)體相機以及控制模塊。玻璃基片設(shè)置在三維納米位移平臺，用于承載光敏材料，并將對光敏材料進行雙光子聚合直寫聚焦光束對應(yīng)的的激光反射；互補性金屬氧化物半導(dǎo)體(complementarymetal-oxidesemiconductor，cmos)相機用于接收從玻璃基片反射的激光，并將玻璃基片反射的激光的信息發(fā)送給控制模塊；控制模塊用于根據(jù)玻璃基片反射的激光的信息對三維納米位移平臺和聲光調(diào)制器進行控制，以完成對光敏材料的三維微結(jié)構(gòu)刻寫。在一個可選的實施例中，該系統(tǒng)還包括：二向色片，用于接收兩個擴束凸透鏡擴束后的聲光調(diào)制器調(diào)節(jié)功率后的激光，并使其射入物鏡；二向色片，還用于對所述玻璃基片反射的激光進行透射，使得所述互補性金屬氧化物半導(dǎo)體相機接收從所述玻璃基片反射的激光。

具體地，玻璃基片將對光敏材料進行雙光子聚合直寫的聚焦光束對應(yīng)的激光反射，經(jīng)過二向色片透射后，cmos相機接收到反射的激光信息，該信息可反映為所述聚焦光束與玻璃基片作用區(qū)域的光斑信息。對光敏材料進行三維微結(jié)構(gòu)加工起始階段，可通過cmos相機接收的光斑信息將待進行雙光子聚合直寫的區(qū)域移動到聚焦光束的束腰中心區(qū)域位置。其中，在聚焦光束的束腰位置對應(yīng)的光斑大小為最小，且在聚焦光束束腰中心區(qū)域?qū)?yīng)的激光功率密度為最大，當聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度大于雙光子吸收的閾值功率密度時，聚焦光束束腰中心區(qū)域?qū)ζ渥饔玫墓饷舨牧线M行雙光子聚合直寫。

在一個可選的實施例中，物鏡為放大倍率為100倍數(shù)值孔徑為1.4的物鏡。

具體地，使用放大倍率為100倍數(shù)值孔徑1.4的物鏡，高數(shù)值孔徑可以獲得直徑更小的聚焦光束，使得聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度更大。

在一個可選的實施例中，光敏材料為正性光刻膠或負性光刻膠。

在一個可選的實施例中，光敏材料，還用于在三維微結(jié)構(gòu)刻寫結(jié)束后，在顯影液的作用下確定刻寫的三維微結(jié)構(gòu)。

第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于連續(xù)激光的三維微結(jié)構(gòu)刻寫方法，該方法包括：通過連續(xù)激光器發(fā)出激光；調(diào)節(jié)所述激光的功率；對調(diào)節(jié)功率后的激光進行會聚，得到聚焦光束，所述聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度大于雙光子吸收的閾值功率密度；使得光敏材料在所述聚焦光束的作用下發(fā)生雙光子聚合而固化，實現(xiàn)雙光子聚合直寫，所述激光的波長不在所述光敏材料的吸收波長范圍內(nèi)，所述激光的半波長在所述光敏材料的吸收波長范圍內(nèi)，所述雙光子吸收的閾值功率密度根據(jù)所述光敏材料確定；控制所述光敏材料在三維方向移動，以通過對所述光敏材料的逐層雙光子聚合直寫實現(xiàn)對所述光敏材料的三維微結(jié)構(gòu)刻寫。

在一個可選的實施例中，該方法還包括：將所述激光進行光束壓縮，并調(diào)節(jié)光束壓縮后的激光的功率。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1、采用低成本的連續(xù)激光器作為刻寫光源，并通過聲光調(diào)制器調(diào)節(jié)連續(xù)激光器發(fā)出的激光的功率，使得聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度大于雙光子吸收的閾值功率密度，實現(xiàn)了基于連續(xù)激光器的三維微結(jié)構(gòu)刻寫，大大節(jié)省了成本。

2、光束在射入聲光調(diào)制器前，使用兩個凸透鏡壓縮激光光束使得聲光調(diào)制器可以達到更高的衍射效率，從而保證聚焦光束能量達到足夠大，以使聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度足夠大使得光敏材料與聚焦光束束腰中心區(qū)域作用部分可以進行雙光子聚合直寫。

3、在激光光束在射入聚焦空間物鏡前，經(jīng)過兩個凸透鏡擴束，由高斯光束的聚焦特性可知，這樣可以使得物鏡能夠獲得更小直徑的聚焦光束，以使得聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度更大。

4、使用放大倍率為100倍數(shù)值孔徑1.4的物鏡，高數(shù)值孔徑可以獲得直徑更小的聚焦光束，使得聚焦光束中心區(qū)域的功率密度更大。

5、通過移動三維納米位移平臺改變平臺與激光聚焦光束束腰中心區(qū)域的相對位置，一方面利用了三維納米位移平臺移動的高精度，使得刻寫位置的控制更為精確；另一方面也避免了通過移動聚焦光束束腰位置實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)刻寫所帶來的抖動使得對光敏材料的三維微結(jié)構(gòu)的加工更為穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的基于連續(xù)激光的三維微結(jié)構(gòu)刻寫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的基于連續(xù)激光的三維微結(jié)構(gòu)刻寫方法流程示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明實施例提供的基于連續(xù)激光的三維微結(jié)構(gòu)刻寫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，參照圖1，包括：連續(xù)激光器1、凸透鏡2、凸透鏡3、聲光調(diào)制器4、反射鏡5、反射鏡6、凸透鏡7、凸透鏡8、二向色片9、物鏡10、玻璃基板11、三維納米位移平臺12、光敏材料13、coms相機14以及控制模塊15。

其中，凸透鏡2、凸透鏡3以及聲光調(diào)制器4依次與連續(xù)激光器1發(fā)出激光的出射方向垂直。反射鏡5與經(jīng)過聲光調(diào)制器4后的激光的夾角為45度，反射鏡6與經(jīng)過反射鏡5反射后的激光的夾角為45度。凸透鏡7和凸透鏡8依次與經(jīng)過反射鏡6反射后的激光垂直。二向色片9與經(jīng)過凸透鏡8后的激光的夾角為45度。物鏡10與經(jīng)過二向色片9反射后的激光垂直。

光敏材料13旋涂在玻璃基板11上，玻璃基板11設(shè)置在三維納米位移平臺12，三維納米位移平臺12控制光敏材料11在三維方向移動。

反射鏡5、反射鏡6以及二向色片9均用于改變激光光路的方向，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實際需要進行調(diào)節(jié)，也可根據(jù)實際需要增加或者減少反射鏡的數(shù)量，本發(fā)明實施例不對此做任何限定。

連續(xù)激光器1、聲光調(diào)制器4、三維納米位移平臺12以及cmos相機14均與控制模塊15相連接，控制模塊15用于控制連續(xù)激光器1發(fā)出激光的功率、以及控制聲光調(diào)制器4對連續(xù)激光器1發(fā)出激光的功率的進一步調(diào)制?？刂颇K15還用于控制三維納米位移平臺12在三維方向移動。

cmos相機14采集激光對應(yīng)的光斑信息，并將光斑信息發(fā)送給控制模塊15，以使用戶根據(jù)控制模塊15接收的光斑信息將待進行雙光子聚合直寫的區(qū)域移動到激光聚焦光束的束腰位置。

本發(fā)明實施例選取連續(xù)激光器發(fā)出激光的波長不在光敏材料的吸收波長范圍內(nèi)，使得該激光不會使光敏材料因發(fā)生單光子吸收效應(yīng)而曝光。單光子吸收效應(yīng)為當激光波長在光敏材料吸收波長范圍內(nèi)時，光敏材料將吸收激光的光子而曝光。本發(fā)明實施例選取連續(xù)激光器發(fā)出激光的波長不在光敏材料的吸收波長范圍內(nèi)，且該激光的半波長在光敏材料吸收波長范圍內(nèi)，使得當該激光的功率密度大于光敏材料對應(yīng)的雙光子吸收的閾值功率密度時，光敏材料發(fā)生雙光子吸收效應(yīng)吸收激光的光子而曝光。

因此，本發(fā)明實施例在選取合適的激光波長和光敏材料后，基于雙光子吸收效應(yīng)的理論下，可通過控制聚焦光束束腰處的功率密度最大，且僅在束腰中心區(qū)域處功率密度大于光敏材料對應(yīng)的雙光子吸收的閾值功率密度，以實現(xiàn)基于雙光子聚合的三維微結(jié)構(gòu)刻寫。

其中，連續(xù)激光器1用于提供刻寫光源；聲光調(diào)制器4用于作為光路的開關(guān)，以及調(diào)節(jié)激光的功率；物鏡10用于對聲光調(diào)制器4調(diào)節(jié)功率后的激光會聚，得到聚焦光束，聚焦光束的功率密度大于雙光子吸收的閾值功率密度，雙光子吸收的閾值功率密度根據(jù)光敏材料13的材質(zhì)確定，不同光敏材料對應(yīng)的雙光子吸收的閾值功率密度不同；光敏材料13用于在聚焦光束的作用下發(fā)生光聚合而固化，實現(xiàn)雙光子聚合直寫；三維納米位移平臺12用于承載光敏材料，并控制光敏材料13在三維方向移動，以通過對光敏材料13的逐層雙光子聚合直寫實現(xiàn)對光敏材料13的三維微結(jié)構(gòu)刻寫。

凸透鏡2和凸透鏡3為兩個壓縮光束凸透鏡，用于對連續(xù)激光器1提供的激光壓縮光束，并將其射入聲光調(diào)制器4。凸透鏡7和凸透鏡8為兩個擴束凸透鏡，用于對聲光調(diào)制器4調(diào)節(jié)功率后的激光進行擴束，并將其射入物鏡10。三維納米位移平臺12具體用于控制光敏材料中待進行雙光子聚合直寫的區(qū)域移動到聚焦光束的束腰中心區(qū)域位置，以實現(xiàn)對待進行雙光子聚合直寫區(qū)域的直寫。玻璃基片11設(shè)置在三維納米位移平臺12，用于承載光敏材料13，并將對光敏材料13進行雙光子聚合直寫的激光反射；cmos相機14用于接收從玻璃基片11反射的激光，并將玻璃基片11反射的激光的信息發(fā)送給控制模塊15；控制模塊15用于根據(jù)玻璃基片11反射的激光的信息對三維納米位移平臺12和聲光調(diào)制器4進行控制，以完成對光敏材料的三維微結(jié)構(gòu)刻寫。

二向色片9用于接收兩個擴束凸透鏡擴束后的聲光調(diào)制器4調(diào)節(jié)功率后的激光，并使其射入物鏡10；二向色片9還用于對所述玻璃基片11反射的激光進行透射，使得cmos相機14接收從所述玻璃基片11反射的激光。

在一個示例中，連續(xù)激光器1可以選取波長為473nm的激光。物鏡10為放大倍率為100倍數(shù)值孔徑為1.4的物鏡。光敏材料13可以選取選擇吸收波長小于473nm的光敏樹脂，可以采用正性光刻膠和負性光刻膠。常見的正性光刻膠有az9260、azmir701、scr500等，負性光刻膠有su-8。直寫結(jié)束后，通過對應(yīng)光刻膠配套的顯影液顯影去掉未交聯(lián)的材料得到所需的三維微結(jié)構(gòu)。

其中，光敏材料的吸收波長需小于473nm，使得連續(xù)激光器發(fā)出的473nm激光不會使光刻膠因發(fā)生單光子吸收效應(yīng)而曝光。

本發(fā)明實施例相對于普通雙光子聚合激光直寫采用近紅外波長的昂貴的飛秒激光器，本發(fā)明采用低成本的連續(xù)激光器作為刻寫光源，并通過聲光調(diào)制器調(diào)節(jié)連續(xù)激光器發(fā)出的刻寫光源的功率，使得聚焦光束束腰中心區(qū)域的的功率密度大于光敏材料的雙光子吸收的閾值功率密度，實現(xiàn)了基于連續(xù)激光器的三維微結(jié)構(gòu)刻寫，大大節(jié)省了成本。

本發(fā)明實施例通過選擇吸收波長小于473nm的光敏材料，使得該激光不會使光敏材料因發(fā)生單光子吸收效應(yīng)而曝光，而100倍大數(shù)值孔徑物鏡聚焦下的激光的焦點中心功率密度極大會使得光敏材料因發(fā)生雙光子吸收聚合反應(yīng)而固化，即本發(fā)明實施例選擇的光刻膠僅在聚焦光束光束束腰中心區(qū)域的功率密度大于光敏材料對應(yīng)的雙光子吸收的閾值功率密度時，才會發(fā)生雙光子吸收效應(yīng)而曝光，同時，在聚焦光束束腰中心區(qū)域以外區(qū)域的激光的功率密度小于該閾值功率密度，從而實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的制備。

在一個具體的示例中，473nm的激光經(jīng)過凸透鏡2和凸透鏡3壓縮光束后射入聲光調(diào)制器4，然后經(jīng)反射鏡5和反射鏡6反射后射入凸透鏡7和凸透鏡8擴束后射向二向色片9，最后射入100倍物鏡10聚焦后將其聚焦點打在位于玻璃基板11上的光敏材料13，從而使焦點處的光敏材料曝光。cmos相機14通過接收從玻璃基板11反射回的激光從而對加工過程實現(xiàn)實時監(jiān)控。光敏材料13旋涂在玻璃基板11上，并將玻璃基板11固定在三維位移平臺12上，通過運動控制系統(tǒng)15控制三維位移平臺12的運動，從而改變了光敏材料13與激光聚焦點的相對位置，使光敏材料13的不同位置曝光固化。

控制模塊15控制連續(xù)激光器1發(fā)出的刻寫(激光)光源的功率，以及根據(jù)cmos相機14采集的光敏材料處激光的功率等信息控制聲光調(diào)制器4以調(diào)節(jié)刻寫光源的功率。同時，控制模塊15根據(jù)cmos相機14采集的光敏材料13處激光的功率等信息可以控制三維納米位移平臺12的運動軌跡，實現(xiàn)對光敏材料13的三維微結(jié)構(gòu)刻寫。

具體地，基于本發(fā)明實施例提供的三維微結(jié)構(gòu)刻寫系統(tǒng)的刻寫流程可包括下述步驟：

(1)通過cmos相機14和控制模塊15調(diào)節(jié)光敏材料13在合適的加工起始位置。

(2)將加工模型導(dǎo)入控制模塊15的直寫控制軟件中生成相應(yīng)的加工數(shù)據(jù)。

(3)控制模塊15執(zhí)行加工數(shù)據(jù)，一方面控制三維位移平臺12按照預(yù)定的軌跡運動，另一方面控制聲光調(diào)制器4，以在合適的位置以合適的光功率使相應(yīng)位置的光敏材料13發(fā)生光聚合而固化，從而實現(xiàn)雙光子聚合直寫；雙光子聚合激光直寫，需逐層掃描，如此逐層直寫最終形成三維微結(jié)構(gòu)。

(4)直寫完畢后，使用顯影液去除掉未交聯(lián)的光敏材料即得到所需微結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所使用的刻寫光源為473nm固體激光器，其發(fā)出激光為連續(xù)激光。相比傳統(tǒng)雙光子聚合激光直寫系統(tǒng)使用近紅外飛秒激光器作為刻寫光源，大大節(jié)省成本。

在一些方案中，使用機械快門作為光路開關(guān)。而本發(fā)明實施例使用聲光調(diào)制器作為光路開關(guān)和調(diào)節(jié)激光功率，調(diào)制更為精確，且獲得更為和快速的響應(yīng)速率。光束在射入聲光調(diào)制器前，使用兩個凸透鏡壓縮激光光束使得聲光調(diào)制器可以達到更高的衍射效率，從而保證后續(xù)聚焦光能量達到足夠大。

另外，本發(fā)明實施例在激光光束在射入聚焦空間物鏡前，經(jīng)過兩個凸透鏡擴束，由高斯光束的聚焦特性可知，這樣可以獲得直徑更小的聚焦光束，使得聚焦光束功率密度更大。本發(fā)明實施例使用放大倍率為100倍數(shù)值孔徑1.4的物鏡，高數(shù)值孔徑可以獲得直徑更小的聚焦光束，使得聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度更大。

本發(fā)明實施例通過移動三維納米位移平臺改變平臺與光束束腰中心區(qū)域的相對位置，一方面利用了三維納米位移平臺移動的高精度，使得位置的控制更為精確；另一方面也避免了移動激光光束所帶來的抖動使得對光敏材料的三維微結(jié)構(gòu)的加工更為穩(wěn)定。

實驗表明，本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)通過各組件的有機組合，實現(xiàn)了連續(xù)激光下任意三維亞微米結(jié)構(gòu)的刻寫，分辨率可達到幾百納米。

圖2為本發(fā)明實施例提供的基于連續(xù)激光的三維微結(jié)構(gòu)刻寫方法流程示意圖，包括步驟s101-步驟s105。

s101，通過連續(xù)激光器發(fā)出激光。

s102，調(diào)節(jié)所述激光的功率。

s103，對調(diào)節(jié)功率后的激光會聚，得到聚焦光束，所述聚焦光束束腰中心區(qū)域的功率密度大于雙光子吸收的閾值功率密度。

s104，使得光敏材料在所述聚焦光束的作用下發(fā)生雙光子聚合而固化，實現(xiàn)雙光子聚合直寫，所述激光的波長不在所述光敏材料的吸收波長范圍內(nèi)，所述激光的半波長在所述光敏材料的吸收波長范圍內(nèi)，所述雙光子吸收的閾值功率密度根據(jù)所述光敏材料確定。

s105，控制所述光敏材料在三維方向移動，以通過對所述光敏材料的逐層雙光子聚合直寫實現(xiàn)對所述光敏材料的三維微結(jié)構(gòu)刻寫。

在一個可選的實施例中，將激光進行光束壓縮，并調(diào)節(jié)壓縮光束后的激光的功率。

需要說明的是，圖2所示的方法與圖1所示的系統(tǒng)是相對應(yīng)的，具體可參照圖1中的介紹，在此將不做贅述。

以上，僅為本申請較佳的具體實施方式，但本申請的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本申請揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本申請的保護范圍之內(nèi)。因此，本申請的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。