[发明专利]基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统

说明书

本发明公开了一种基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统。该系统使用一片包括m×m个镜元的微透镜阵列产生m×m束并行光束，结合紫外飞秒激光器、四光束分束器、DMD、合束器、平板光束位移元件、透镜、物镜搭建而成的光路在物镜焦平面上形成2m×2m个焦点点阵分布，将基于微透镜阵列和DMD的激光直写通量提高到原来的4倍，大幅提高直写速度，且每个焦点可由DMD独立调节光强，从而结合直写算法实现任意图形的并行超分辨激光直写。本发明可应用于微透镜阵列、衍射光学元件、光刻掩模板等的快速加工制造。

技术领域

本发明属于光学工程领域，尤其涉及一种基高通量超分辨激光直写系统。

背景技术

激光直写具有成本低、无需真空环境、无需掩膜板等优点，为微纳元件加工提供了新的方法，特别是飞秒激光直写技术主要利用材料与光的非线性作用，将材料的双光子吸收范围限制在焦点处比艾里斑小的高能量区域，可实现特征尺寸接近电子束曝光水平的三维超分辨直写。

随着激光直写分辨率的提高，其应用前景得到广泛关注，但是直写速度成为限制其应用的主要因素。并行激光直写技术采用多光束方案，通过光学系统在光刻胶上形成多焦点点阵同时对光刻胶进行曝光，结合扫描路径规划、光束独立开关实现高速任意图形直写，成为一种重要的通量提高方法，其中多光束可通过DMD(数字微镜阵列)、SLM(空间光调制器)产生。文献[Nature Nanotechnology,5,637–640(2010)]利用DMD和近场探针阵列实现了250nm分辨率的千束光并行直写，但是近场探针无法实现三维加工。另外，基于微透镜阵列和DMD的并行激光直写系统可以实现三维加工，但是近场探针和微透镜阵列的数量均无法进一步提高，这限制了并行激光直写的速度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，包括激光器、微透镜阵列、四光束分束器、2个光束数增倍单元、平板光束位移元件、双光束合束镜、多组4f系统；多组4f系统包括物镜。四光束分束器由3个双光束分束器组成。

激光器输出的光束，经过微透镜阵列形成m×m个子光束，进入四光束分束器，分束成等光强的4束m×m光束；四光束分束器中同一双光束分束器出射的两光束进入同一光束数增倍单元；每个光束数增倍单元输出两束2m×m光束，一起进入双光束合束镜，经合束后，在物镜焦平面上，形成2m×2m个的焦点点阵。

进一步地，光束数增倍单元由2个DMD、平板光束位移元件、双光束合束镜组成，两束m×m光束分别进入2个DMD，独立调控各子光束光强；其中一个DMD出射的光束经过平板光束位移元件，最后两束光在双光束合束镜合束。

进一步地，当所有平板光束位移元件均未发生旋转时，物镜焦平面上形成m×m个周期性分布的焦点点阵且间隔为t。通过旋转平板光束位移元件使光束发生位移，从而物镜焦平面上形成2m×2m个周期性分布的焦点点阵且间隔为t/2。

进一步地，平板光束位移元件为厚度为T折射率为n_T的平板玻璃，当光束以与法线夹角θ_T入射时，出射光以平行于入射光的方向出射，且与入射光相比产生横向位移D_T：

旋转平板光束位移元件，改变横向位移D_T。

进一步地，四光束分束器的3个双光束分束器中，一个双光束分束器的斜面方向与x方向成-45度角，另外两个双光束分束器的斜面方向与x方向成45度角，且双光束分束器斜面上镀有半透半反膜。

进一步地，激光器为飞秒激光器。

进一步地，激光器为紫外飞秒激光器。

进一步地，还包括反射镜，用于改变光路方向。