[发明专利]一种基于AOD扫描的双光束高速激光直写方法与装置

说明书

本发明公开了一种基于声光偏转（AOD）扫描的双光束高速激光直写方法和装置，该装置包括两路光，其中一路光在汇聚到样品面上产生实心光斑，用于激发光刻胶的聚合反应；另一路光汇聚到样品面上产生空心光斑，用于抑制或终止光刻胶聚合反应中的某个关键步骤，从而抑制光聚合反应。两束光进行对准合束后经过两个紧靠并互相垂直放置着的AOD，其中一个进行x方向扫描，另一个进行y方向扫描，两者同时实现光束在样品面上高速高精度的二维扫描。利用本发明，有望实现速度和分辨率分别达10^6点/s和亚50 nm的高速、超分辨激光直写，为超分辨激光微纳加工技术提高加工效率提供有力支撑。

技术领域

本发明涉及超精密光学刻写领域，具体地，涉及一种基于AOD扫描的双光束高速激光直写方法与装置。

背景技术

激光直写是一种利用激光直接“雕刻”微纳结构的加工方法，具有灵活性强的特点，同时相对于传统的掩膜曝光光刻方法而言，无需掩膜、进而成本低廉，因而受到业界广泛的欢迎。但是，与显微成像系统一样，激光直写系统受到了光学元件衍射的限制，其刻写分辨率在阿贝衍射极限范围内，用公式表示为（其中， 为与刻写工艺相关的常数， 为激光波长， 为刻写物镜的数值孔径）。为了突破衍射极限，受到超分辨显微成像中受激辐射损耗（STED）的启发，人们提出了一种基于双光束的激光直写方法，其中一束实心光用于引发样品的光聚合反应，另一束空心光用于抑制环形区域样品的光聚合反应，因此只有空心光中心区域产生聚合，从而将直写分辨率从约200 nm提升至亚50 nm。

在激光直写中，需要对激光束进行扫描，从而获得所需的结构。在现有的双光束激光直写系统中，光束的扫描通常借助于机械式扫描的方法来实现，例如采用振镜或者转镜进行光束的扫描，这种方法常常因为机械抖动的原因，使光束的稳定性变差，进而影响刻写的精度与质量；此外，更为重要的是，机械式扫描的速度受限于机械本身的迟滞，例如振镜的扫描速度最高为kHz量级，从而限制了激光直写的速度。AOD作为一种声光偏转器件，其工作原理基于的是材料本身由于声波而形成的周期性光栅结构对光产生衍射而实现的光偏转，具有很好的光束稳定性；同时，AOD具有极高的光束偏转速度，最高可达MHz，单点停留时间为亚微秒量级，因而可以获得极高的刻写速度。

AOD可实现光偏转的特点被广泛应用于成像系统中作为扫描器件，在双光子/多光子显微成像系统中具有大量的应用实例；同时，也被应用于单光束激光直写系统中。就目前为止，未发现利用AOD应用于双光束激光直写系统中。

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AOD扫描的双光束高速激光直写方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于AOD扫描的双光束高速激光直写装置，包括用于引发光刻胶聚合反应的激发光路、用于抑制或终止光刻胶材料聚合反应中某个关键步骤（如自由基引发单体聚合等）的去激发光路、用于两束光进行合束的合束器、用于对合束后的光进行二维扫描的AOD器件对、用于扫描中继的扫描透镜和场镜、以及物镜；

设有沿激发光路依次设置的：

第一激光器，用于产生激发光，用以引发光刻胶材料的单光子吸收或双光子吸收的光聚合反应；

第一光开关，用于控制激发光的开关并实现光强的调控；

第一半波片，用于旋转激发光的线偏振方向；

第一准直器，用于激发光的准直与扩束，使激发光变成具有一定大小光斑尺寸的平行光束；

设有沿去激发光路依次设置的：

第二激光器，用于产生去激发光，用以抑制或终止光刻胶光聚合反应中的某个关键步骤，从而抑制光刻胶的光聚合反应；

第二光开关，用于控制去激发光的开关并实现光强的调控；

第二半波片，用于旋转去激发光的偏振方向；

第二准直器，用于去激发光的准直与扩束，使激发光变成与激发光具有相同光斑大小的平行光束；

涡旋相位板，用于调制去激发光的相位，使其经后续物镜汇聚后变成空心光斑；