一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統及方法
2023-04-25 02:48:11 3
一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統及方法，所述系統包括：飛秒雷射器、外光路調製單元、取像裝置、聚焦透鏡、位移臺、計算機以及監控裝置，其中，取像裝置，用於對三維微納器件的截面圖形逐層進行取像，以使調製後的飛秒雷射形成按照所述各層截面圖形排列的並行光束。本發明不僅可以同時加工多個三維微納器件，還可以對任意複雜的三維微納器件進行逐層加工，從而提高加工效率和工藝流量；此外，在進行逐層微納加工的過程中，位移臺只需沿微納器件的截面厚度方向運動，這樣不僅可以提高加工效率和工藝流量，還可以降低其在平面二維方向的定位精度要求，從而使加工工藝簡化，難度降低。
【專利說明】-種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微納加工【技術領域】，尤其涉及一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統 及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著半導體微電子技術的發展，伴隨產生的各種微納加工技術成為了現代科學技 術的重要研究內容，在微機電系統、微光子學器件、精密特殊儀器、信息技術、生物醫學等領 域有著廣泛的應用。
[0003] 近年來，隨著雷射技術的發展，利用飛秒雷射作為光源的雙光子吸收技術被引入 微納加工領域。該技術是利用較長波長的飛秒雷射作為光源，通過聚焦物鏡將雷射光束聚 焦在待加工的光敏材料上，在焦點處光敏材料通過雙光子吸收作用發生聚合反應，而在光 路上其他地方由於雷射強度較低，不發生雙光子吸收，同時由於雷射的能量較低，相應的單 光子吸收過程也不能發生，因此雙光子聚合作用只局限在焦點處。當雷射焦點在光敏材料 內部移動時，光敏材料沿焦點軌跡發生固化，未固化的光敏材料被有機溶劑除去，從而可以 實現對光敏材料的微納加工。
[0004] 根據上述飛秒雷射雙光子聚合微納加工的原理，利用該項技術在製作任意複雜的 三維微納結構方面具有其特有的優勢。這是由於一方面，光敏材料發生雙光子吸收具有閥 值效應，發生效率與光強度的平方成正比；另一方面，入射雷射只有在焦點處局部區域的光 強滿足材料發生雙光子吸收的閥值，光敏材料相對於光束其他位置透明，不發生吸收，因此 可以在光敏材料內部任意位置實現定點聚合，使飛秒雷射雙光子聚合微納加工過程具有嚴 格的空間定位能力，從而可以製作任意複雜的三維微納結構。
[0005] 早期採用飛秒雷射雙光子聚合進行微納加工是通過在光敏材料內部逐點發生雙 光子聚合來形成三維微納結構，因此，加工一個三維微納器件需要大量的點聚合過程，時間 較長，加工效率低，且工藝流量遠遠不能滿足工業生產需求，從而限制其在微納加工領域的 進一步應用。為解決上述問題，各國研究人員提出多焦點並行加工的方法，實現了同時並行 加工上百個微納結構，使加工效率得到一定程度的提高。同時，國內研究人員也在多焦點並 行加工技術方面做了很多研究，例如提出了通過多光束組合與控制將零部件加工製備與組 裝一次完成的方法，解決了微尺度組裝難題。
[0006] 然而，上述的多焦點並行加工方法比較適用於批量生產具有周期結構的微納器 件，而對於批量生產任意複雜的三維微納器件仍然有很高難度。在加工過程中每束光的焦 點仍需按照預先設計的軌跡逐點運動，通常飛秒雷射焦點與光敏材料的相對位移是通過控 制位移臺的運動來實現的，而位移臺慣性較大，響應時間較長，因此，現有的多焦點並行加 工的方法對製作任意複雜的三維微納器件的加工效率提高有限，且在三維方向上均需要高 精度的機械定位能力，增加了加工難度。
【發明內容】
[0007] 有鑑於此，本發明提供一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統及方法，以解決以 上【背景技術】部分提出的技術問題。
[0008] 第一方面，本發明提供了一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統，所述系統包 括：
[0009] 飛秒雷射器，用於產生飛秒雷射；
[0010] 外光路調製單元，用於對所述飛秒雷射進行調製；
[0011] 取像裝置，用於對三維微納器件的截面圖形逐層進行取像，以使調製後的飛秒激 光形成按照所述各層截面圖形排列的並行光束；
[0012] 聚焦透鏡，用於將按照所述各層截面圖形排列的並行光束聚焦在光敏材料內，形 成由多個焦點組成的平面圖像，各焦點處光敏材料發生固化，以實現所述三維微納器件的 每層截面結構一次投影成形；
[0013] 位移臺，用於對放置在其上的所述光敏材料的位置進行微動調節；
[0014] 計算機，用於對所述位移臺和所述取像裝置進行控制；
[0015] 監控裝置，用於對所述光敏材料的微納加工過程進行實時監控。
[0016] 第二方面，本發明還提供了一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法，採用上述第 一方面所述的飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統來執行，所述方法用於對光敏材料進行逐 層微納加工，並通過監控裝置對所述光敏材料的逐層微納加工過程進行實時監控，所述方 法包括：
[0017] 打開飛秒雷射器，產生飛秒雷射；
[0018] 通過外光路調製單元對所述飛秒雷射進行調製；
[0019] 通過計算機控制取像裝置對三維微納器件的第一層截面圖形進行取像，以使調製 後的飛秒雷射形成按照所述第一層截面圖形排列的並行光束；
[0020] 通過聚焦透鏡將按照所述第一層截面圖形排列的並行光束聚焦在所述光敏材料 內，形成由多個焦點組成的平面圖像，各焦點處光敏材料發生固化，以實現所述三維微納器 件的第一層截面結構一次投影成形；
[0021] 通過計算機控制位移臺移動所述三維微納器件的一層截面厚度的距離，其中，所 述位移臺的移動方向與所述飛秒雷射照射所述光敏材料的方向平行；
[0022] 通過計算機控制所述取像裝置對所述三維微納器件的剩餘各層截面圖形逐層進 行取像，每層截面結構加工成形後，利用計算機控制所述位移臺移動所述三維微納器件的 一層截面厚度的距離，直至整個三維微納器件加工完成。
[0023] 第三方面，本發明還提供了一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法，採用上述第 一方面所述的飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統來執行，所述方法用於對光敏材料進行多 點並行微納加工以製得多個三維微納器件，並通過監控裝置對所述光敏材料的多點並行微 納加工過程進行實時監控，所述方法包括：
[0024] 打開飛秒雷射器，產生飛秒雷射；
[0025] 通過外光路調製單元對所述飛秒雷射進行調製；
[0026] 通過計算機控制取像裝置使調製後的一束飛秒雷射變成多束並行的飛秒雷射；
[0027] 通過聚焦透鏡將所述多束並行的飛秒雷射聚焦在所述光敏材料內，形成多個焦點 且在各焦點處光敏材料發生固化，以得到每個三維微納器件在第一點處的結構；
[0028] 通過計算機控制位移臺按照預設軌跡移動，對所述光敏材料進行多點並行微納加 工，直至所有三維微納器件加工完成。
[0029] 本發明提供的飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統及方法，通過在飛秒雷射進行微 納加工的光路中，設置取像裝置，不僅可以將一束飛秒雷射分成多束並行的飛秒雷射，以實 現同時加工多個三維微納器件，還可以對所要製得的器件的每層截面圖形一次投影成形， 且每層截面圖形可以不同，這樣可以加工製得任意複雜的三維微納器件，從而大大提高加 工效率和工藝流量；此外，在進行逐層微納加工的過程中，位移臺只需沿微納器件的截面厚 度方向運動，而不需要在平面二維方向上逐點移動，這樣不僅可以使三維微納器件的每層 截面加工成形所需要的時間顯著減少，提高加工效率和工藝流量，還可以降低其在平面二 維方向的定位精度要求，使加工工藝簡化，難度降低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030] 通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它 特徵、目的和優點將會變得更明顯：
[0031] 圖1是本發明實施例一提供的一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統的結構示 意圖；
[0032] 圖2a是本發明實施例二提供的一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統的結構示 意圖；
[0033] 圖2b是本發明實施例二提供的另一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統的結構 示意圖；
[0034] 圖3a是本發明實施例二提供的一種用於同時加工4個微納器件的動態取像裝置 的局部結構不意圖；
[0035] 圖3b是本發明實施例二提供的一種用於加工L型器件的動態取像裝置的局部結 構示意圖；
[0036] 圖3c是本發明實施例二提供的一種在光敏材料上製得的L型器件的一層截面的 結構示意圖；
[0037] 圖4是本發明實施例三提供的一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統的結構示 意圖；
[0038] 圖5是本發明實施例四提供的一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法的流程示 意圖；
[0039] 圖6是本發明實施例五提供的一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法的流程示 意圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描 述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便 於描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部內容。
[0041] 實施例一
[0042] 本發明實施例一提供一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統。圖1是本發明實 施例一提供的一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統的結構示意圖。如圖1所示，所述飛 秒雷射雙光子聚合微納加工系統包括：飛秒雷射器11，用於產生飛秒雷射；外光路調製單 元12,用於對所述飛秒雷射進行調製；取像裝置13,用於對三維微納器件的截面圖形逐層 進行取像，以使調製後的飛秒雷射形成按照所述各層截面圖形排列的並行光束；聚焦透鏡 14,用於將按照所述各層截面圖形排列的並行光束分別聚焦在光敏材料15內，形成由多個 焦點組成的平面圖形，焦點處光敏材料發生固化，以實現所述三維微納器件的每層截面結 構一次投影成形；位移臺16,用於對放置在其上的所述光敏材料15的位置進行微動調節； 計算機17,用於對所述位移臺16和所述取像裝置13進行控制；監控裝置18,用於對所述光 敏材料15的微納加工過程進行實時監控。
[0043] 需要說明的是，可以在位移臺16上固定載玻片19,用於放置光敏材料15。另外， 監控裝置18可以採用CO)(Charged Coupled Device,電荷f禹合器件）圖像傳感器作為核心 部件。此外，也可以在取像裝置13和聚焦透鏡14之間設置掃描陣鏡，由於掃描陣鏡的響應 速度更快，可使加工速度進一步提高。
[0044] 還需要說明的是，上述的取像裝置13,通過計算機17的控制可在其上形成三維微 納器件的各層截面圖形，並將一束飛秒雷射形成按照各層截面圖形排列的多束並行的飛秒 雷射，以實現對光敏材料進行逐層微納加工，對應地，位移臺16隻需沿微納器件的截面厚 度方向運動。更為一般的情況，在取像裝置13上也可以不形成三維微納器件的各層截面圖 形，此時，取像裝置13可以只將一束飛秒雷射分成多束並行的飛秒雷射，可以實現對光敏 材料進行多點並行微納加工以同時製得多個微納器件，對應地，位移臺16需按照預設軌跡 移動。其中，所述預設軌跡與所要製作的三維微納器件的各個加工點的分布有關。
[0045] 在本實施例中，進一步地，所述外光路調製單元12包括但不限於在所述飛秒雷射 的前進路徑上依次排列的再生放大器121、快門122、衰減器123、準直透鏡組124以及孔徑 光闌125。飛秒雷射器11產生的飛秒雷射為超短脈衝的雷射，需經過外光路調製單元12 對該飛秒雷射進行調製，才能夠對光敏材料15進行微納加工。本發明是多焦點並行逐層加 工，與單焦點逐點加工相比，需要飛秒雷射的能量較大，因此需要再生放大器121將飛秒激 光的能量進行放大；經過能量放大的光束通過快門122控制其通斷狀態，然後通過衰減器 123調節其能量大小。利用衰減器123對光束能量的控制，可以調節每束光焦點處中心強 度，進而實現對加工解析度的控制。然後再通過準直透鏡組124,其中，準直透鏡組124包括 一個短焦距透鏡124a和一個長焦距透鏡124b。由於雷射的能量在空間上呈高斯分布，雷射 光束邊緣部分的光強比中心弱，為了減少由於光束截面上光強分布不均勻造成的取像截面 光強差異，需要利用準直透鏡組124對光束進行準直和擴束，以使雷射光束的中心區域的 光強度分布相對均勻。然後，再利用孔徑光闌125濾掉光束邊緣部分，得到截面光強分布近 似均勻的飛秒雷射光束。
[0046] 需要說明的是，除了上述的對飛秒雷射起到調製作用的器件外，在飛秒雷射的前 進路徑上且在取像裝置13前，根據實際需要還可以設置其他的器件，例如為了使微納加工 系統的結構更緊湊，在飛秒雷射的前進路徑上且在孔徑光闌125的後面設置全反光鏡。 [0047] 本發明實施例一提供的飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統，通過在飛秒雷射進 行微納加工的光路中設置取像裝置，不僅可以將一束飛秒雷射分成多束並行的飛秒雷射， 以實現同時加工多個三維微納器件，還可以對所要製得的器件的每層截面圖形一次投影成 形，且每層截面圖形可以不同，這樣可以加工製得任意複雜的三維微納器件，從而大大提高 加工效率和工藝流量；此外，在進行逐層微納加工的過程中，位移臺只需沿微納器件的截面 厚度方向運動，而不需要在平面二維方向上逐點移動，這樣不僅可以使三維微納器件的每 層截面加工成形所需要的時間顯著減少，提高加工效率和工藝流量，還可以降低其在平面 二維方向的定位精度要求，使加工工藝簡化，難度降低。
[0048] 基於上述原理，飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統可以有多種具體的實現方式， 例如，取像裝置可以為動態取像裝置或者靜態取像裝置，並且，對於不同種類的取像裝置， 還可以選擇不同的設備來實現。只要能實現在飛秒雷射的微納加工的過程中，取像裝置不 僅可以使一束飛秒雷射分成多束並行的飛秒雷射，而且還可以對所要製得的三維微納器件 的每層截面圖形一次投影成形即可，下面將就優選實施方式進行詳細說明。
[0049] 實施例二
[0050] 本發明實施例二還提供一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統。在實施例一的基 礎上，本實施例的取像裝置採用動態取像裝置。
[0051] 在本實施例中，所述計算機17用於對所述取像裝置進行控制，包括：所述計算機 用於對所述三維微納器件的結構進行建模，並將建模所得的模型轉換成數字電壓信號加載 到動態取像裝置上，以在所述動態取像裝置上形成所述三維微納器件的各層截面圖形。具 體地，計算機17可以通過在其中的軟體控制單元來進行計算機輔助設計，對需加工的三維 微納器件建立三維模型，將建成的三維模型分割為多層截面圖形，然後再將每層截面圖形 逐點分解，並得到由多點組成的相應層的截面圖形。然後，將計算機17設計出的三維微納 器件的每層截面圖形轉換為數字電壓信號，加載到動態取像裝置上，並在動態取像裝置上 形成三維微納器件的各層截面圖形。需要說明的是，上述軟體控制單元中的輔助設計軟體 可選現有的商用軟體，例如，CAD(Computer Aided Design，計算機輔助設計），其中CAD文 件可選用標準的STL文件格式。
[0052] 進一步地，所述動態取像裝置包括多個像素單元，其中，在計算機控制下處於打開 狀態的像素單元在所述動態取像裝置上形成所述三維微納器件的各層截面圖形。
[0053] 更進一步地，所述動態取像裝置的每個像素單元在計算機控制下單獨開合，當飛 秒雷射照射在所述動態取像裝置上時，處於打開狀態的像素單元反射或透射飛秒雷射，將 一束飛秒雷射分成按照特定形狀排列的多束飛秒雷射以進行微納加工。
[0054] 具體地，將計算機的軟體控制單元設計的三維微納器件模型的第一層截面圖形轉 化成數字電壓信號，然後將數字電壓信號加載在動態取像裝置上，每個信號控制一個像素 單元。當飛秒雷射照射在動態取像裝置上時，通過數字電壓信號控制每個像素單元的開合， 可形成按照所述第一截面圖形排列的多束透射或反射光束，並加工形成器件的第一層截面 結構；再將器件模型的第二層截面圖形轉換成數字電壓信號，並加載到動態取像裝置上，可 形成按照所述第二截面圖形排列的多束透射或反射光束，並加工形成器件的第二層截面結 構，依次進行，最終可通過逐層聚合作用得到完整的三維微納器件。
[0055] 在本實施例中，動態取像裝置可以採用液晶顯示器（Liquid Crystal Display,簡 稱LCD)或數字光處理裝置（Digital Light Procession，簡稱DLP)，其中，液晶顯示器和數 字光處理裝置皆屬於空間光調製器（Spatial Light Modulator,簡稱SLM)。
[0056] 接下來就對動態取像裝置分別採用液晶顯示器和數字光處理裝置時如何實現將 一束飛秒雷射分成多束飛秒雷射做進一步地說明。
[0057] 圖2a是本發明實施例二提供的一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統的結構示 意圖。在圖2a中，採用液晶顯示器131作為動態取像裝置，並且為了使整個微納加工系統 的結構更緊湊，在飛秒雷射的前進路徑上且在孔徑光闌125和液晶顯示器131之間設置了 全反射鏡21。具體地，液晶顯示器131的每個像素單元由裝有液晶材料的盒子構成，每個像 素單元可在計算機17控制下單獨開合。當飛秒雷射光源照射在液晶顯示器131上時，液晶 顯示器131上開啟的像素單元可透過飛秒雷射，閉合的像素單元則不透過光束。通過控制 每一個液晶盒（像素單元）的開合狀態，可以形成多束可控的透射光束，經聚焦後在光敏材 料內部形成由多個焦點組成的平面圖形，焦點處的光敏材料發生雙光子聚合，形成具有特 定形狀的一層截面結構。
[0058] 圖2b是本發明實施例二提供的另一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統的結構 示意圖。在圖2b中，採用數字光處理裝置132作為動態取像裝置。具體地，數字光處理裝 置132的核心部件為數字微反射鏡器件，數字微反射鏡器件由成千上萬個微小可傾斜的鏡 片組成，一個鏡片為一個像素單元，每個鏡片可向±12°兩個角度傾斜，將入射光從兩個方 向上反射出去。每個像素單元可在計算機17控制下單獨開合，當飛秒雷射光源照射在數字 微反射鏡器件上時，處於"開啟"狀態的鏡片將入射光反射到加工光路內參加加工過程，處 於"關閉"狀態的鏡片將入射光反射出加工光路以外，被光吸收器吸收。通過控制每一個鏡 片的開合狀態，可以形成多束可控的反射光束，經聚焦後在光敏材料內部形成由多個焦點 組成的平面圖形，焦點處的光敏材料發生雙光子聚合，形成具有特定形狀的一層截面結構。
[0059] 接下來，首先考慮動態取像裝置只是將一束飛秒雷射分成多束並行的飛秒雷射。 圖3a是本發明實施例二提供的一種用於同時加工4個微納器件的動態取像裝置的局部結 構示意圖。參見圖3a，動態取像裝置（可以為液晶顯示面板或者數字微反射鏡器件）的局 部結構中，每個正方形區域為一個像素單元22,每個像素單元22可通過計算機17控制單獨 開合。首先可根據加工要求對動態取像裝置進行控制，帶陰影的像素單元221表示該像素 單元處於關閉狀態，未帶陰影的像素單元222表示該像素單元處於開啟狀態。
[0060] 具體地，在進行微納加工時，飛秒雷射首先經過外光路調製單元12調製後，照射 在動態取像裝置上時，只有處於開啟狀態的像素單元222可透過或反射飛秒雷射，形成4束 並行光束，每一束飛秒雷射由4個處於開啟狀態的像素單元222透射或者反射的光束組成。 經聚焦透鏡14聚焦後在光敏材料15內部形成4個光斑，光斑處光敏材料發生雙光子聚合 作用。通過計算機17控制位移臺16按照預設軌跡移動，可同時並行加工4個微納器件，整 個加工過程可通過監控裝置18進行實時監控。也可在動態取像裝置和聚焦透鏡14中間設 置掃描陣鏡，利用掃描陣鏡將飛秒雷射投影到光敏材料15內，由於掃描陣鏡的響應速度更 快，可使加工速度進一步提1?。
[0061] 需要說明的是，一束飛秒雷射可以由多個處於開啟狀態的像素單元222透射或反 射，其中，多個處於開啟狀態的像素單元222所具有的形狀可以為正方形，也可以為長方 形。此外，在實際應用中，根據加工要求，通過選取具有不同解析度的動態取像裝置以及靈 活控制其中的每個像素單元的開合狀態，可控制並行光束的數量、強度、形狀、間距及分布 情況，從而控制並行加工的器件個數、最小加工尺寸、間距及分布情況，不僅使加工速度大 大提高，並且具有很強的工藝靈活性。同時，由於每個像素單元開合切換速度非常快，僅為 數微秒，有助於進一步提高加工速度和靈活控制曝光時間，從而提高加工解析度。作為動態 取像裝置的液晶顯示裝置或數字光處理裝置的像素單元可達到上百萬個，因此可以很容易 實現成千上萬束光斑，實現超大規模並行曝光，同時加工成千上萬個微納器件。
[0062] 接下來，進一步地考慮使用動態取像裝置來進行逐層微納加工。圖3b是本發明實 施例二提供的一種用於加工L形器件的動態取像裝置的局部結構示意圖。參見圖3b，與圖 3a中相同的是，每個正方形區域為一個像素單元22,每個像素單元22可通過計算機17控 制單獨開合。首先可根據加工要求對作為動態取像裝置的空間調製器進行控制，帶陰影的 像素單元221表示該像素單元處於關閉狀態，未帶陰影的像素單元222表示該像素單元處 於開啟狀態。此外，在圖3b中，處於開啟狀態的像素單元222構成了 L形器件的圖形。
[0063] 具體地，在進行微納加工時，飛秒雷射首先經過外光路調製單元12調製後，照射 在動態取像裝置上時，只有處於開啟狀態的像素單元222可透過或反射飛秒雷射。經聚焦 透鏡14聚焦後在光敏材料15內部形成由多個光斑組成的L形平面圖形，光斑處光敏材料 15發生雙光子聚合作用，聚合點組成器件的一層截面結構，如圖3c所示的L型器件的一層 截面圖形23。然後通過計算機17控制動態取像裝置中的各個像素單元22的開合時間，可 以靈活控制曝光時間，提高加工精度。利用計算機17控制位移臺16沿與所述飛秒雷射照 射所述光敏材料15的方向平行的方向（在圖2a和圖2b中為縱向）上每次移動一層截面 厚度的距離，通過逐層加工最終可以得到一個完整的微納器件，且整個加工過程可通過監 控裝置18進行實時監控。
[0064] 傳統雙光子聚合微納加工採用單光束逐點加工的方式，加工同樣的L型器件的一 層截面部件需要的時間為各點加工時間總和，而採用本發明的逐層加工的方式，一層截面 部件的各點可以同時加工，加工每層截面所需時間與傳統方式加工一個點的時間相當，力口 工速度顯著提高。每層截面加工時間與動態取像裝置響應時間、光敏材料曝光時間有關，每 個像素單元開合切換速度非常快，因此可精確控制曝光時間，有助於提高加工解析度。此 夕卜，通過採用動態取像裝置作為取像裝置，可以靈活地控制其上的每個像素單元的開合狀 態，以形成任意複雜圖形；並且利用動態取像裝置可以將器件的一層截面一次加工完成，每 層截面圖形可為任意複雜圖形，這樣通過逐層加工，可以將任意複雜的三維微納結構快速、 靈活的加工出來。
[0065] 需要說明的是，上述的一個處於開啟狀態的像素單元222透射或反射的光束為最 小光束，像素單元的大小決定最小加工尺寸的大小。因此，光束經聚焦後，實際在光敏材料 15內的最小書寫單元為像素單元的尺寸除以縮小倍數，其中，縮小倍數取決於所選的聚焦 透鏡。
[0066] 此外，動態取像裝置可選用市場上現有的液晶顯示裝置或數字光處理裝置，也可 以根據需要加工的最小尺寸定製，動態取像裝置的像素單元尺寸越小，透射或反射的飛秒 雷射光速越細，加工解析度就越高。
[0067] 實施例三
[0068] 本發明實施例三還提供一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統。與實施例二不同 的是，本實施例的取像裝置採用靜態取像裝置。
[0069] 進一步地，靜態取像裝置可以採用掩模板。圖4是本發明實施例三提供的一種飛 秒雷射雙光子聚合微納加工系統的結構示意圖。如圖4所示，靜態取像裝置採用掩模板 133,並且為了使整個微納加工系統的結構更緊湊，在飛秒雷射的前進路徑上且在孔徑光闌 125和掩模板133取像裝置13之間設置了全反射鏡21。
[0070] 在本實施例中，優選地，所述掩模板133包括多個微區，每個微區包含所述三維微 納器件的一層截面圖形。需要說明的是，每個微區的尺寸可以為微器件各層截面實際尺寸 的倍數，具體倍數取決於所採用的聚焦透鏡的聚焦倍數。
[0071] 在本實施例中，進一步地，所述計算機17用於對所述取像裝置進行控制，包括：所 述計算機17用於在微納加工過程中對所述掩膜板133的位置進行微動調節，以實現對所述 三維微納器件的各層截面圖形的取像。
[0072] 需要說明的是，在掩模板133上形成三維微納器件的截面圖形與動態取像裝置的 不同，具體可以為：根據計算機17設計的三維微納器件的每層截面圖形，製作掩模板133。 掩模板133可以選用對飛秒雷射光源具有高透過率的玻璃板，在玻璃板表面分區製作器件 的每層截面圖形。在每個微區內，利用微納加工技術（如蒸鍍或濺射、光刻、溼法刻蝕等） 在玻璃表面製作金屬圖形，覆蓋金屬的區域不透過飛秒雷射，未覆蓋金屬的區域則可透過 飛秒雷射。每個透光區域與器件的每層截面圖形上各點相對應，面積為對應點的數倍，具體 擴大倍數根據聚焦透鏡的聚焦倍數確定。同時在玻璃表面每個微區內製作對準標記，用於 對每個微區進行定位。
[0073] 下面對採用掩模板作為取像裝置進行微納加工來做進一步地描述。在進行微納 加工時，飛秒雷射首先經過外光路調製單元12調製後，照射在作為靜態取像裝置的掩膜板 133上。由於掩模板133與計算機17相連，利用計算機17調節掩模板133,使飛秒雷射對 準掩模板133上與器件第一層截面圖形相對應的區域，光束透過透光區域在掩膜板133的 另一側空間形成多束光，經聚焦透鏡14聚焦後在光敏材料15內部形成由多個焦點組成的 平面圖形，在焦點處的光敏材料15發生雙光子聚合作用，發生固化，多個固化點構成器件 的第一層截面結構。然後通過計算機17控制位移臺16在縱向上移動（在圖4中）一層厚 度的距離，同時利用計算機17調節掩模板133的位置，使飛秒雷射對準掩模板133上與器 件的第二層截面圖形相對應的微區，加工形成器件的第二層截面結構。依次下去，最終可通 過逐層聚合作用得到完整的三維微納器件，整個加工過程可通過監控裝置18實時觀察。
[0074] 需要說明的是，上述是採用掩膜板133進行逐層微納加工。此外，也可以採用掩膜 板133進行多點並行微納加工，同時加工多個三維微納器件。在此情況下，掩膜板133的每 個微區設置有多個透光區域，每個微區與每個要製作的三維微納器件對應。在進行微納加 工時，飛秒雷射首先經過外光路調製單元12調製後，照射在掩膜板133上，通過透射形成多 束並行光束，每一束飛秒雷射由每個微區中的透光區域透射的光束組成。經聚焦透鏡14聚 焦後在光敏材料15內部形成多個光斑，光斑處光敏材料發生雙光子聚合作用。通過計算機 17控制位移臺16按照預設軌跡移動，可同時並行加工多個微納器件，整個加工過程可通過 監控裝置18進行實時監控。
[0075] 隨著光刻技術的發展，光學掩模板的製作技術也取得了很大的進步，利用各種光 刻技術，可以很容易在玻璃基板表面製作各種圖形，且製作成本較低。
[0076] 在本實施例的技術方案中，利用作為靜態取像裝置的掩模板對器件的每層截面一 次取像成形，使加工效率顯著提高；同時掩模板製作工藝成熟，微區內每個透光區域可以做 到零間隔，因此，利用掩模板進行取像可以加工得到平滑的三維微納器件的結構。
[0077] 實施例四
[0078] 本發明實施例四提供一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法。本實施例的飛秒激 光雙光子聚合微納加工方法通過上述各實施例所述的飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統 來執行，關於本實施例中概念的解釋說明以及相關原理的描述，請參見上述各實施例，在此 不再贅述。
[0079] 本實施例所述的飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法用於對光敏材料進行逐層微 納加工，並通過監控裝置對所述光敏材料的逐層微納加工過程進行實時監控。圖5是本發 明實施例四提供的一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法的流程示意圖。如圖5所示，所 述飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法包括：
[0080] 步驟301、打開飛秒雷射器，產生飛秒雷射。
[0081] 步驟302、通過外光路調製單元對所述飛秒雷射進行調製。
[0082] 進一步地，通過外光路調製單元對所述飛秒雷射進行調製，包括：通過在外光路調 制單元中的且在所述飛秒雷射的前進路徑上依次排列的再生放大器、快門、衰減器、準直透 鏡組以及孔徑光闌對所述飛秒雷射進行調製。
[0083] 步驟303、通過計算機控制取像裝置對三維微納器件的第一層截面圖形進行取像， 以使調製後的飛秒雷射形成按照所述各層截面圖形排列的並行光束。
[0084] 步驟304、通過聚焦透鏡將按照所述第一層截面圖形排列的並行光束聚焦在所述 光敏材料內，形成由多個焦點組成的平面圖形，各焦點處光敏材料發生固化，以實現所述三 維微納器件的第一層截面結構一次投影成形。
[0085] 步驟305、通過計算機控制位移臺移動所述三維微納器件一層截面厚度的距離，其 中，所述位移臺的移動方向與所述飛秒雷射照射所述光敏材料的方向平行。
[0086] 步驟306、通過計算機控制所述取像裝置對所述三維微納器件的剩餘各層截面圖 形逐層進行取像，每層截面結構加工成形後，利用計算機控制所述位移臺移動所述三維微 納器件的一層截面厚度的距離，直至整個三維微納器件加工完成。
[0087] 進一步地，通過計算機控制取像裝置對三維微納器件的各層截面圖形進行取像， 包括：當所述取像裝置採用動態取像裝置時，通過計算機對所述三維微納器件的結構進行 建模，並將建模所得的模型轉換成數字電壓信號加載到動態取像裝置上，控制所述動態取 像裝置中的像素單元的開合狀態，以實現對所述三維微納器件的各層截面圖形的取像；或 者當所述取像裝置採用包含所述三維微納器件的各層截面圖形的靜態取像裝置時，通過計 算機在微納加工過程中對所述靜態取像裝置的位置進行微動調節，以實現對所述三維微納 器件的各層截面圖形的取像。
[0088] 本發明實施例四提供的飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法，通過在飛秒雷射的微 納加工的光路中設置取像裝置，可以對所要製得的器件的每層截面圖形一次投影成形，且 每層截面圖形可以不同，這樣可以加工製得任意複雜的三維微納器件，從而大大提高加工 效率和工藝流量；此外，在進行逐層微納加工的過程中，位移臺只需沿微納器件的截面厚度 方向運動，而不需要在平面二維方向上逐點移動，這樣不僅可以使三維微納器件的每層截 面加工成形所需要的時間顯著減少，從而提高加工效率和工藝流量，還可以降低其在平面 二維方向的定位精度要求，從而使加工工藝簡化，難度降低。
[0089] 實施例五
[0090] 本發明實施例五提供一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法。本實施例的飛秒激 光雙光子聚合微納加工方法通過上述實施例一、實施例二和實施例三所述的飛秒雷射雙光 子聚合微納加工系統來執行，關於本實施例中概念的解釋說明以及相關原理的描述，請參 見上述實施例一、實施例二和實施例三，在此不再贅述。
[0091] 本實施例所述的飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法用於對光敏材料進行多點並 行微納加工以製得多個三維微納器件，並通過監控裝置對所述光敏材料的多點並行微納加 工過程進行實時監控。需要說明的是，本實施例與實施例五不同的是，實施例五是採用取像 裝置對光敏材料進行逐層微納加工，而本實施例是採用取像裝置對光敏材料進行多點並行 微納加工。圖6是本發明實施例五提供的一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法的流程示 意圖。如圖6所示，所述飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法包括：
[0092] 步驟401、打開飛秒雷射器，產生飛秒雷射。
[0093] 步驟402、通過外光路調製單元對所述飛秒雷射進行調製。
[0094] 步驟403、通過計算機控制取像裝置使調製後的一束飛秒雷射分成多束並行的飛 秒雷射。
[0095] 步驟404、通過聚焦透鏡將所述多束並行的飛秒雷射聚焦在所述光敏材料內，形成 多個焦點且在各焦點處光敏材料發生固化，以得到每個三維微納器件在第一點處的結構。 [0096] 步驟405、通過計算機控制位移臺按照預設軌跡移動，對所述光敏材料進行多點並 行微納加工，直至所有三維微納器件加工完成。
[0097] 在本實施例中，優選為取像裝置為動態取像裝置。採用動態取像裝置進行微納加 工，不僅使加工速度大大提高，並且具有很強的工藝靈活性。同時，由於動態取像裝置中的 每個像素單元開合切換速度非常快，僅為數微秒，有助於進一步提高加工速度和靈活控制 曝光時間，從而提高加工解析度。
[0098] 本發明實施例五提供的飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法，通過在飛秒雷射的微 納加工的光路中設置取像裝置，可以將一束飛秒雷射分成多束並行的飛秒雷射，可以同時 加工多個三維微納器件，這樣可以大大提高加工效率和工藝流量。
[0099] 注意，上述僅為本發明的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解， 本發明不限於這裡所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、 重新調整和替代而不會脫離本發明的保護範圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行 了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限於以上實施例，在不脫離本發明構思的情況下，還 可以包括更多其他等效實施例，而本發明的範圍由所附的權利要求範圍決定。
【權利要求】
1. 一種飛秒雷射雙光子聚合微納加工系統，其特徵在於，包括： 飛秒雷射器，用於產生飛秒雷射； 外光路調製單元，用於對所述飛秒雷射進行調製； 取像裝置，用於對三維微納器件的截面圖形逐層進行取像，以使調製後的飛秒雷射形 成按照所述各層截面圖形排列的並行光束； 聚焦透鏡，用於將按照所述各層截面圖形排列的並行光束聚焦在光敏材料內，形成由 多個焦點組成的平面圖像，各焦點處光敏材料發生固化，以實現所述三維微納器件的每層 截面結構一次投影成形； 位移臺，用於對放置在其上的所述光敏材料的位置進行微動調節； 計算機，用於對所述位移臺和所述取像裝置進行控制； 監控裝置，用於對所述光敏材料的微納加工過程進行實時監控。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述取像裝置為動態取像裝置。
3. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述動態取像裝置為液晶顯示器或數字 光處理裝置。
4. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述計算機用於對所述取像裝置進行控 制，包括：所述計算機用於對所述三維微納器件的結構進行建模，並將建模所得的模型轉換 成數字電壓信號加載到動態取像裝置上，以在所述動態取像裝置上形成所述三維微納器件 的各層截面圖形。
5. 根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述動態取像裝置包括多個像素單元，其 中，在計算機控制下處於打開狀態的像素單元在所述動態取像裝置上形成所述三維微納器 件的各層截面圖形。
6. 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述動態取像裝置的每個像素單元在計 算機控制下單獨開合，當飛秒雷射照射在所述動態取像裝置上時，處於打開狀態的像素單 元反射或透射飛秒雷射，將一束飛秒雷射分成按照特定形狀排列的多束飛秒雷射以進行微 納加工。
7. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述取像裝置為靜態取像裝置。
8. 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述靜態取像裝置為掩模板。
9. 根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述掩模板包括多個微區，每個微區包含 所述三維微納器件的一層截面圖形。
10. 根據權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述計算機用於對所述取像裝置進行控 制，包括：所述計算機用於在微納加工過程中對所述掩膜板的位置進行微動調節，以實現對 所述三維微納器件的各層截面圖形的取像。
11. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述外光路調製單元包括在所述飛秒激 光的前進路徑上依次排列的再生放大器、快門、衰減器、準直透鏡組以及孔徑光闌。
12. -種飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法，採用權利要求1所述的飛秒雷射雙光子 聚合微納加工系統來執行，其特徵在於，所述方法用於對光敏材料進行逐層微納加工，並通 過監控裝置對所述光敏材料的逐層微納加工過程進行實時監控，所述方法包括： 打開飛秒雷射器，產生飛秒雷射； 通過外光路調製單元對所述飛秒雷射進行調製； 通過計算機控制取像裝置對三維微納器件的第一層截面圖形進行取像，以使調製後的 飛秒雷射形成按照所述第一層截面圖形排列的並行光束； 通過聚焦透鏡將按照所述第一層截面圖形排列的並行光束聚焦在所述光敏材料內，形 成由多個焦點組成的平面圖像，各焦點處光敏材料發生固化，以實現所述三維微納器件的 第一層截面結構一次投影成形； 通過計算機控制位移臺移動所述三維微納器件的一層截面厚度的距離，其中，所述位 移臺的移動方向與所述飛秒雷射照射所述光敏材料的方向平行； 通過計算機控制所述取像裝置對所述三維微納器件的剩餘各層截面圖形逐層進行取 像，每層截面結構加工成形後，利用計算機控制所述位移臺移動所述三維微納器件的一層 截面厚度的距離，直至整個三維微納器件加工完成。
13. 根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，通過計算機控制取像裝置對三維微納 器件的各層截面圖形進行取像，包括： 當所述取像裝置採用動態取像裝置時，通過計算機對所述三維微納器件的結構進行建 模，並將建模所得的模型轉換成數字電壓信號加載到動態取像裝置上，控制所述動態取像 裝置中的像素單元的開合狀態，以實現對所述三維微納器件的各層截面圖形的取像；或者 當所述取像裝置採用包含所述三維微納器件的各層截面圖形的靜態取像裝置時，通過 計算機在微納加工過程中對所述靜態取像裝置的位置進行微動調節，以實現對所述三維微 納器件的各層截面圖形的取像。
14. 根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，通過外光路調製單元對所述飛秒雷射 進行調製，包括： 通過在外光路調製單元中的且在所述飛秒雷射的前進路徑上依次排列的再生放大器、 快門、衰減器、準直透鏡組以及孔徑光闌對所述飛秒雷射進行調製。
15. -種飛秒雷射雙光子聚合微納加工方法，採用權利要求1所述的飛秒雷射雙光子 聚合微納加工系統來執行，其特徵在於，所述方法用於對光敏材料進行多點並行微納加工 以製得多個三維微納器件，並通過監控裝置對所述光敏材料的多點並行微納加工過程進行 實時監控，所述方法包括： 打開飛秒雷射器，產生飛秒雷射； 通過外光路調製單元對所述飛秒雷射進行調製； 通過計算機控制取像裝置使調製後的一束飛秒雷射分成多束並行的飛秒雷射； 通過聚焦透鏡將所述多束並行的飛秒雷射聚焦在所述光敏材料內，形成多個焦點且在 各焦點處光敏材料發生固化，以得到每個三維微納器件在第一點處的結構； 通過計算機控制位移臺按照預設軌跡移動，對所述光敏材料進行多點並行微納加工， 直至所有三維微納器件加工完成。
【文檔編號】G03F7/20GK104155851SQ201410375257
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】程鑫, 崔德虎, 李自平, 明靜 申請人:南方科技大學