[发明专利]基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统和方法

说明书

本发明公开了一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统和方法，属于光学微纳米结构制备技术领域。系统包括支撑结构、基板、光敏聚合物容器池、物镜、第一光学结构、第二光学结构、光学成像装置和控制器；所述的控制器用于控制第一光学结构、第二光学结构的启闭及工作参数，光学成像装置用于获取物镜的成像信息；所述的第一光学结构发射第一波长的光，通过物镜聚焦在光敏聚合物中，引发单光子聚合；所述的第二光学结构发射第二波长的光，通过物镜聚焦在光敏聚合物中，引发多光子聚合。对待打印的微纳米三维结构的打印数据进行高、低分辨率分割，逐层打印，在保证打印精度的基础上提高了打印速度。

技术领域

本发明属于光学微纳米结构制备技术领域，尤其涉及一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统和方法。

背景技术

随着微纳光学的发展，微纳光子器件逐步趋向小型化、结构多样化以及高度集成化。如何进一步提高微纳结构的制备一直是一个难题。

目前呈现出众多的微纳光子器件制备技术，例如基于飞秒激光的双光子聚合技术、基于微镜阵列结构的单光子聚合技术、电子束光刻技术以及其他先进的制备技术。其中，电子束光刻技术具有极高的精度但加工耗时且成本高；基于微镜阵列结构的单光子聚合技术，通过软件控制实现层层制备，该方法加工速度快且具有微米级的精度；基于飞秒激光的双光子聚合技术作为近年来发展起来的激光加工技术之一，可以突破光学衍射极限实现亚微米尺度任意复杂结构的三维加工，具有其他同类技术无法比拟的优势。通过优化控制以及光敏聚合物参数的改进，目前飞秒激光多光子聚合用于微纳加工已成功实现了纳米尺度的分辨率。然而，其加工尺寸受到一定的限制。若制备毫米级或厘米级且具有微纳精度的器件时，该技术加工相当耗时，少则数小时多则数天才能完成，这严重制约了系统加工高性能光学器件的性能。

发明内容

为了解决现有技术中的加工技术高精度但加工尺寸受限，以及大加工尺寸但精度相对低下的难题，本发明提出了一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统和方法。本发明利用了多尺度多光子光刻技术，采用两个光学结构，第一光学结构用来提供第一个波长的光，以在光敏聚合物中引发单光子聚合过程；第二个光学结构用来提供第二个波长的光，以在光敏聚合物中引发双光子聚合过程。对待打印的微纳米三维结构的打印数据进行高、低分辨率分割，逐层打印，在保证打印精度的基础上提高了打印速度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的其中一个目的在于提供一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统，包括支撑结构、基板、光敏聚合物容器池、物镜、第一光学结构、第二光学结构、光学成像装置和控制器；所述的控制器用于控制第一光学结构、第二光学结构的启闭及工作参数，光学成像装置用于获取物镜的成像信息；

所述的光敏聚合物容器池固定在支撑结构上，基板通过多轴工作台悬挂在光敏聚合物容器池的正上方，物镜安装在光敏聚合物容器池的正下方，能够实现垂直方向上的移动；所述的第一光学结构发射第一波长的光，通过物镜聚焦在光敏聚合物中，引发单光子聚合；所述的第二光学结构发射第二波长的光，通过物镜聚焦在光敏聚合物中，引发多光子聚合。

本发明的第二个目的在于提供一种基于上述系统的微纳米三维结构制备方法，包括以下步骤：

1)启动系统，在光敏聚合物容器池中灌装光敏聚合物，通过多轴工作台使得基板沉浸到光敏聚合物容器池中，基板的下底面与光敏聚合物容器池的下底面之间留出待打印空隙；通过光学成像装置实时获取物镜的成像信息；

2)获取待打印的微纳米三维结构的模型数据，将模型数据中的低分辨率结构特征数据放入第一个数据组，将模型数据中的高分辨率结构特征数据放入第二个数据组；

3)将两个数据组的三维数据按照由底层到顶层的方向进行切片，将第一个数据组中的低分辨率结构特征数据转换为图像图案及对应的层值，作为单光子光刻数据；所述的图像图案对应于用于形成低分辨率结构的光图案；