研究背景

雙光子激光直寫是一種新興的微納加工手段。該技術(shù)利用飛秒激光使光刻膠在激光焦點(diǎn)位置發(fā)生雙光子聚合，特征尺寸可達(dá)百納米級(jí)，結(jié)合壓電位移臺(tái)或激光掃描器件可實(shí)現(xiàn)高精度任意三維結(jié)構(gòu)制備。目前，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在微納光學(xué)、材料、生命科學(xué)、微流控、微機(jī)械、集成光學(xué)等多個(gè)重要領(lǐng)域。

多光束并行刻寫技術(shù)可有效提升刻寫速度，是雙光子激光直寫技術(shù)進(jìn)一步提升與發(fā)展的重要途經(jīng)，有望實(shí)現(xiàn)高精度、大尺寸結(jié)構(gòu)的高速加工。然而目前的并行刻寫技術(shù)在產(chǎn)生方式、刻寫策略以及拼接精度方面還有不少問題，需要不斷完善與改進(jìn)。

創(chuàng)新工作

為了有效提升雙光子激光直寫的直寫速度，之江實(shí)驗(yàn)室智能芯片與器件研究中心劉旭教授、匡翠方教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種基于轉(zhuǎn)鏡的多光束并行刻寫系統(tǒng)。如圖1所示，該系統(tǒng)利用空間光調(diào)制器（SLM）生成多光束，再通過多通道聲光調(diào)制器（AOMC）對(duì)多光束的每束光進(jìn)行獨(dú)立調(diào)制。同時(shí)，使用多面體轉(zhuǎn)鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)振鏡，結(jié)合高速空氣軸承位移臺(tái)與壓電位移臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高速3D掃描。

圖1 基于轉(zhuǎn)鏡掃描的多光束并行雙光子激光直寫系統(tǒng)。（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）光路圖

經(jīng)過測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單通道7.77 m/s的掃描速度，最多可實(shí)現(xiàn)6通道同步并行刻寫，等效最高速度達(dá)46.62 m/s。圖2（a）展示了該系統(tǒng)的特征尺寸。由圖可知，隨著激光功率從35 mW降至18 mW，線寬從260 nm級(jí)降至80 nm級(jí)；但在150 nm以后，圖形開始從線條變成點(diǎn)陣。因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速下，物鏡焦平面的直寫速度接近8 m/s，此時(shí)相鄰兩個(gè)脈沖的間隔約100 nm，無法有效填充從而形成點(diǎn)陣。因此，本系統(tǒng)的特征尺寸約150 nm，使用更高重頻激光器或低轉(zhuǎn)速降低脈沖間隔可獲得更小的特征尺寸。

圖2（b）展示了六通道同步刻寫，測(cè)試中每個(gè)通道的圖案獨(dú)立調(diào)控，當(dāng)?shù)谝恍形淖滞瓿蓵r(shí)，第六行文字也同步刻寫完成，有效提高了刻寫效率。

圖2（c）是組內(nèi)近期的一項(xiàng)新成果，實(shí)現(xiàn)了20 mm級(jí)大尺寸光柵結(jié)構(gòu)的刻寫，該光柵線寬500 nm，周期1000 nm。該光柵刻寫用時(shí)約70 min，平均刻寫速度達(dá)到5.7 mm2/min。

圖 2系統(tǒng)部分刻寫結(jié)果展示。（a）特征尺寸；（b）多通道編程刻寫；（c）大面積光柵刻寫

總結(jié)與展望

研究采用SLM產(chǎn)生多光束，結(jié)合AOMC與轉(zhuǎn)鏡掃描實(shí)現(xiàn)了最高7.77 m/s的直線刻寫速度。目前在刻寫策略方面仍有較大提升空間，后續(xù)將繼續(xù)研究刻寫策略對(duì)刻寫效率的影響。

本項(xiàng)研究有助于實(shí)現(xiàn)高精度與大尺寸結(jié)構(gòu)的高速加工，推動(dòng)雙光子激光直寫技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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