超快激光制造方法及系统技术方案

公开了一种激光制造方法和激光制造系统；所述激光制造系统包括：超快激光源，配置为输出激光束；以及数字微镜器件(DMD)，配置为接收、整形和扫描所述激光束，其中多于一个的二元全息图被合成以形成应用于所述DMD的扫描全息图。包含一个或多个焦点的、离开所述DMD的经整形的激光束聚焦到样本上以用于快速激光制造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超快激光制造方法及系统相关申请的交叉引用本申请要求2018年3月6日提交的美国临时申请No.62,639/245的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本申请涉及一种超快激光制造系统。
技术介绍
双光子聚合(Two-photonpolymerization)是一种重要的添加制造方法，其通常是在光刻胶中通过对飞秒激光器的焦点进行光栅扫描来执行，从而引起非线性吸收过程以将亚微米特征聚合为纳米级构件块。尽管能够附加地创建纳米级特征，但是处理速率受到逐点逐层的串行扫描过程的限制。虽然已经提出了并行处理方法，例如使用微透镜阵列或空间光调制器处理的方法，但是它们通常在制造周期性结构方面受到限制或具有受损的分辨率。因此，希望具有一种在不牺牲制造分辨率的情况下显著提高吞吐量(多点写入)和写入能力(随机存取扫描)的解决方案。
技术实现思路
在本申请中提出了一种激光制造方法和相关的光学系统，其中使用基于二元全息图的技术以执行多点激光点控制，同时使用单个DMD进行光束整形和波前校正。根据本申请的实施方式，激光制造系统包括：超快激光源，配置为输出激光束；数字微镜器件(DMD)，配置为接收激光束并对激光束进行整形，其中多于一个的二元全息图被合成(或叠加)以形成应用于DMD的扫描全息图；离开DMD的经整形激光束被聚焦到光刻胶，用于并行地制造单点或多点。由于一个以上的二元全息图被合成以形成应用于DMD的扫描全息图，即，可以通过单个全息图产生一个或多个焦点，所以可以通过使用单个DMD来实现多焦点扫描。r>根据实施方式，由于DMD可以将负角分散引入到激光束，所以系统还可以包括分散补偿单元，该分散补偿单元配置为以正角分散将激光束从激光源传递到DMD，以中和负角分散。例如，分散补偿单元包括透射式闪耀光栅和反射镜。根据实施方式，扫描全息图中还包括用于波前校正的波前信息，以同时实现用于多焦点扫描的光束整形和波前校正。根据实施方式，来自激光源的激光束可以被扩展以匹配DMD的孔径。根据实施方式，所述系统还可以包括通过一组由两个透镜组成的中继光学器件(例如4-f系统)被配置为聚焦经整形的激光束的物镜。根据实施方式，空间滤波器可放置在中继光学器件(例如4-f系统)的后焦平面处，以空间地选择非零级光束，例如从全息图衍射的第-1级光束或第+1级光束。根据实施方式，所述系统还可以包括显微成像系统，所述显微成像系统配置为监视由经整形的激光束执行的制造过程。根据实施方式，所述系统还可以包括定位工作台，配置为安装和操纵待激光处理的样本。根据实施方式，用于激光制造的方法包括：从激光源输出激光束；利用由一个以上的二元全息图合成的扫描全息图，通过数字微镜器件(DMD)对激光束进行整形；以及利用单个或多个经过整形的激光点将经整形的激光束聚焦到光刻胶，以进行并行制造。根据实施方式，所述方法还可以包括中和由DMD引入到激光束的负角分散。根据实施方式，扫描全息图中还包括用于波前校正的波前信息。根据实施方式，所述方法还可以包括空间地选择扫描全息图的非零级衍射，例如第-1级衍射或第+1级衍射。附图说明图1示出根据本申请实施方式的DMDTPP制造系统的光学配置。图2(a)示出了可由DMD扫描仪实现的示例性螺旋路径，其中路径上的每个点对应于不同的全息图；以及图2(b)和图2(c)分别示出了扫描路径上两个不同点(B和C)的全息图。图3(a)示出了根据本申请的实验的桁架阵列的计划轨迹；以及图3(b)至图3(d)示出了具有不同比例尺的桁架阵列的SEM结果。图4(a)至图4(d)分别是用于木堆结构的单焦点制造、双焦点制造、三焦点制造和四焦点制造的计划轨迹。图5(a)至图5(d)分别示出由CCD相机采集的单焦点制造工艺、双焦点制造工艺、三焦点制造工艺和四焦点制造工艺的图像；以及图5(e)和图5(f)示出显影后的制造结果的SEM图像。图6(a)示出伦敦桥的CAD模型；以及图6(b)是TPP制造的伦敦桥。图7示出了根据本申请的实施方式的激光制造方法的流程图。具体实施方式为了实现高精度、高通量的双光子聚合，提出了一种基于二元全息的多焦点DMD随机存取扫描仪。具体而言，DMD用作利用全息图编码的可编程二进制掩模(mask)，以调制入射的飞秒激光波前。可以通过使用具有调整的倾斜相位的球面波前的全息图案来实现3D扫描。为了提高扫描分辨率，可以设计用于波前校正的全息图，并将其合成为扫描全息图，以通过单个DMD实现同时的任意光束整形和3D激光扫描。通过叠加来组合各个焦点，可以实现多焦点随机存取扫描。因此，可任意规划多焦点扫描轨迹以制造具有最佳机械特性的结构。还开发了参数模型和计算机算法，以确定性地将系统性能与DMD参数相关联。已经进行了制造实验，并证明了新多点激光写入系统的性能。根据本申请的实施方式，激光制造系统包括配置为输出激光束的超快激光源；配置为通过合成的二元全息图来接收、整形和扫描激光束的数字微镜装置(DMD)。系统还可包括配置为安装光刻胶或样本的定位工作台。由于通过全息图产生一个或多个焦点，因此可以实现具有多个焦点的制造。因此，激光制造系统可以同时实现多焦点的扫描，显着地减少制造时间。此外，用于波前校正的波前信息也可以包括在扫描全息图中，以使得同时地实现用于多焦点扫描的光束整形与波前校正。DMD将激光束整形为具有负角分散。为了中和负角分散，可以在DMD和激光源之间提供分散补偿单元，从而以正角分散将激光束从激光源传递到DMD。例如，分散补偿单元可以包括透射式闪耀光栅和反射镜。来自激光源的激光束可以被扩展以匹配DMD的孔径。此外，激光制造系统可以包括无限远校正物镜，该无限远校正物镜通过由消色差透镜和管透镜组成的1:1望远镜，被配置为将经整形的激光束聚焦在光刻胶上。虹膜光阑可放置在消色差透镜的后焦平面处，以空间地选择扫描全息图的-1级衍射。在图1中示出了本申请的激光制造系统的示例性实施方式。例如，激光源101是中心波长为800nm的再生飞秒钛宝石(Ti：sapphire)激光放大器(Spectra-Physics,SpitfirePro)。激光器被配置为具有10kHz的重复率，具有100fs的脉冲宽度和4W的平均功率。激光源的替代选择可以是钛宝石激光(Coherent,ChameleonUltraII，在800nm处3.5W；重复率：80MHz。)。保守计算表明，激光放大器可以同时处理用于TPP的具有足够能量的100+个焦点，而振荡器可以处理15个点。首先，通过两个消色差透镜(L1,L2)103和104适当地扩展从激光源101发出的激光束，以确保DMD孔径(DLP41000.7”XGA,1024×768像素，德州仪器(TexasInstrument))被完全填充。透镜L1和L2一起形成扩束器。由于DMD106既用作可编程的二元全息图又用作闪耀光栅，因此它将负角分散引入到激光束中。为了消除角分散本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光制造系统，包括：/n激光源，配置为输出激光束；以及/n数字微镜器件(DMD)，配置为接收所述激光束并对所述激光束进行整形，其中多于一个的二元全息图被合成以形成应用于所述DMD的扫描全息图；离开所述DMD的经整形的所述激光束聚焦到光刻胶上，以通过单个或多个成形的激光点实现并行制造。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180306 US 62/639,2451.一种激光制造系统，包括：
激光源，配置为输出激光束；以及
数字微镜器件(DMD)，配置为接收所述激光束并对所述激光束进行整形，其中多于一个的二元全息图被合成以形成应用于所述DMD的扫描全息图；离开所述DMD的经整形的所述激光束聚焦到光刻胶上，以通过单个或多个成形的激光点实现并行制造。


2.根据权利要求1所述的激光制造系统，其中，所述DMD使所述激光束产生负角分散；以及所述系统还包括：
分散补偿单元，配置为以正角分散的方式将所述激光束从所述激光源传递到所述DMD，以中和所述负角分散。


3.根据权利要求1所述的激光制造系统，其中，所述扫描全息图中进一步包括用于波前校正的波前信息。


4.根据权利要求1所述的激光制造系统，其中，来自所述激光源的所述激光束被扩展以匹配所述DMD的孔径。


5.根据权利要求1所述的激光制造系统，还包括：
物镜，所述物镜通过一组中继光学器件被配置为聚焦经整形的所述激光束。


6.根据权利要求5所述的激光制造系统，其中，所述一组中继光学器件是包括两个透镜的4-f系统。


7.根据权利要求5所述的激光制造系统，其中，在所述一组中继光学器件的后焦平面处设置有空间滤波器，以空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世祈，耿强，王迪恩，陈鹏飞，张大鹏，
申请(专利权)人：香港中文大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81