[发明专利]一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置

说明书

本发明公开了一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，包含两路光：一路光通过镀涡旋膜MLA产生涡旋抑制光阵列，同时利用SLM控制各涡旋光的位置和形貌，结合DMD独立调控涡旋光强度，实现聚合区域大小控制；另一路光通过MLA产生激发光点阵，同时利用SLM调控各激发光位置，实现激发光和涡旋光阵列的精密重合。本发明可产生刻写点大小独立可控的高质量PPI阵列，每个PPI光斑由激发光和涡旋抑制光组成；采用相同刻写点大小的PPI阵列进行加工，具有超高分辨率、高通量和高均匀度的优势，控制刻写点大小使其具有特定分布，还能实现灰度光刻功能，加工任意高均匀度曲面结构和真三维微结构，可应用于超分辨光刻。

技术领域

本发明属于微纳光学技术及光学元件加工制造领域，尤其涉及一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置。

背景技术

双光子直写过程中的聚合反应基于非线性效应，因此具有突破衍射极限的能力，传统双光子光刻在超分辨实现方面具有一定的优势，但要突破更高分辨率仍具有一定的局限性。基于边缘光抑制(Peripheral Photoinhibition，PPI)技术的双光子光刻通过涡旋光抑制激发光外围区域聚合反应的发生，从而实现比传统双光子光刻更高的分辨率。空间光调制器SLM和数字微镜阵列DMD是超分辨光刻中比较常用的两种光场调制器件，将他们与PPI双光子直写相结合将发挥他们各自的优势，且常常能够在分辨率、加工通量及三维复杂结构等方面得到更好的效果。

目前已报道的文献中所实现的PPI光斑数都很有限，因此虽然分辨率有所提升但加工通量都比较低；具体实施过程中，在实现理想涡旋光形貌、均匀一致PPI点阵以及涡旋光和激发光精确重合等方面也存在较大困难；此外，基于PPI技术的双光子并行光刻通常也难以实现各聚合区域的独立控制，因此在实现灰度光刻方面还有一定的难度。

灰度光刻的实现一般采用灰度掩模来实现，但复杂灰度掩模的制作仍是个难题，如高灰度等级的掩模制作难度极大，无法实现任意形状图形的灰度掩模制作，只能加工球面、弧面等简单曲面等。而采用逐点加工并同步控制光斑剂量来实现灰度光刻则会有加工通量低和均匀度差等缺点。

文献[OpticsLaser Technology,2019,113:407-415]将DMD和定制的双边微透镜空间滤波阵列相结合，得到了70×110的光斑点阵，大幅度提升了加工通量，同时通过DMD对各光斑剂量进行独立控制，实现了灰度光刻的功能，可以加工任意自由曲面结构，但该方案只采用单个LED紫外光源进行投影光刻，实现的分辨率有限，只有微米量级，且只能在材料表面进行加工，无法实现真正的三维结构直写。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置。本发明主要包含两光路，分别用来产生激发光点阵和强度独立可控的涡旋抑制光阵列，两者在物镜焦平面精密重合后形成高质量PPI光斑阵列，可实现高均匀度复杂三维结构的高通量超分辨并行加工，同时还具有灰度光刻的能力，可加工高均匀度任意曲面结构和真三维微结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，该装置主要包含抑制光和激发光两路光：抑制光路用于产生涡旋光阵列，核心元件有数字微镜阵列4、第一空间光调制器8和镀涡旋膜的第一微透镜阵列13，各涡旋光光斑强度通过数字微镜阵列4进行独立控制，第一微透镜阵列13用来产生涡旋光阵列，各涡旋光的形貌和位置通过第一空间光调制器8进行独立调控及校准；激发光路用于产生激发光点阵，核心元件有第二空间光调制器18和第二微透镜阵列22，激发光点阵通过第二微透镜阵列22产生，同时通过第二空间光调制器18对各激发光光斑位置进行微调，使其与涡旋光阵列在物镜26焦面精密重合，形成高质量边缘光抑制光斑阵列，可进行高通量超分辨的双光子并行直写加工。