[发明专利]减少焦平面变形的光束聚焦装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请特要求于2007年7月20日提出的，申请号为60/929,972的美国临时专利申请的权利，现通过引用将该临时专利申请的内容结合于本文。

本申请与发明名称为“利用光固化组合物的双光子立体光刻成型”的PCT申请相关，该PCT申请的申请人与本申请的完全一致，现通过引用将该PCT申请的内容结合于本文。

技术领域

本发明涉及减少焦平面变形的光束聚焦方法和系统，特别适合应用于多光子立体光刻成型。

背景技术

多光子立体光刻成型，如双光子立体光刻成型，是一门新兴的、有前景的技术，具有许多潜在的应用，例如应用于半导体产业中，用于光子学器件，应用于无线通讯产业中，用于微机电系统(MEMS)或纳机电系统(NEMS)，应用于快速成型工业中，应用于组织工程中，以及应用于化学与制药工业中。多光子立体光刻成型(如双光子聚合反应)是利用局部多光子吸收/激发来引起目标物的结构转变。当多个光子在一个较小的空间体积内同时出现，并且光子的总能量与激发目标物中的电子所需的激发能相等时，可发生多光子吸收。这些光子能够同时被吸收，并伴随电子的激发。被激发的电子随后能够引起目标物中的化学反应(如聚合反应)。通过控制多光子吸收/激发在目标物中发生的位置，例如通过将光束聚焦在目标物中选定的焦点上并按照预设的图案移动焦点，这样在精确的控制下，例如在亚微米分辨率下，能够对较小的三维目标物进行操作和构造。

目前已知的多光子立体光刻成型技术具有一些缺陷。例如，为了提高多光子吸收效率，最后的物镜通常会浸入油中，以获得高分辨率和大数值的孔径。然而，现有技术中带有油浸物镜的产品生产量相对较低，这与很多因素有关，例如光学元件的有限尺寸，扫描速度低(一报道的扫描速度约为16微米/秒)，以及有限的扫描体积(扫描高度通常少于1mm)。目标物和镜头都可能会被浸镜油污染。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一个多光子立体光刻成型系统。该系统包括光源、光束扩展器、聚焦装置、扫描器和控制器。其中，该光源所产生的光束具有一可诱发目标材料发生多光子吸收的波长；该光束扩展器包括一个散光透镜和一个聚光透镜，位于光束路径上，用于扩展通过透镜的光束以产生准直光束，准直光束的散度取决于散光透镜与聚光透镜之间的距离；该聚焦装置包括一个干燥的物镜，位于准直光束的路径上，用于将准直光束聚焦在目标材料上以诱发目标材料在聚焦光束的束腰处发生多光子吸收；该扫描器设置在准直光束路径上，位于光束扩展器与聚焦装置之间，用于将准直光束转向聚焦装置，以将光束束腰在连续扫描位点上扫描穿过目标材料；而控制器是基于当前的扫描位点，对散光透镜与聚光透镜之间的距离调节进行控制，由此光束束腰可充分扫描在所有连续扫描位点所在的平面上。每个连续扫描位点都可以与一个单独的预设长度相关联，控制器可以将散光透镜与聚光透镜之间的距离调节为与当前扫描位点相关联的预设长度。控制器可以与光束扩展器和扫描器进行通信，从而使距离的调节与准直光束的扫描同步进行。所述的多光子吸收可以是双光子吸收。该光源可以发射脉冲光束，其峰值功率大于310kW，而平均功率约为50mW至4W。其平均功率可以大于2.5W。该系统可以包括一个支架，用于支承目标材料。该支架可以是可调节的，可将目标材料运送向物镜并将目标材料安置在邻近物镜的位置上，由此，目标材料与所述的平面相交。该系统可以包括一个隔离器，位于邻近光源的位置上，以将光源与反射光隔离开来。该系统包括一个遮光器，位于隔离器的下游，用于选择性地透射光束。该光源可以是激光光源，其波长范围约为700nm至1020nm。该干燥物镜的数值孔径可以约为0.4至0.9。该聚焦装置可以是显微镜。该扫描器可以是检流计扫描器。所述的平面可以垂直于干燥物镜的光轴。