本发明专利技术公开了一种基于光纤器件的光场生成装置及单波长超分辨光刻系统，将单一飞秒光源输出光分为两路，其中一路通过元器件的色散将激光脉冲宽度展宽至皮秒量级，另一路通过引入色散补偿模块使激光脉冲宽度保持在飞秒量级。通过光纤模式选择耦合器的调制，将飞秒脉冲激光调制为高斯型激发光，并将皮秒脉冲激光调制为环形抑制光。通过输出的组合光斑和光刻胶的特性，使光刻的最小特征尺寸缩减到衍射极限以下。由于采用同一波长不同脉冲宽度的激光作为激发光和抑制光，避免了由于系统中元器件色差引起的光斑不重合等问题。本发明专利技术通过配合光刻胶特性实现突破衍射极限的高精度刻写，整个系统结构简单，抗外界干扰能力强。抗外界干扰能力强。抗外界干扰能力强。
【技术实现步骤摘要】
基于光纤器件的光场生成装置及单波长超分辨光刻系统
[0001]本专利技术属于光学
及光学微加工制造领域，尤其涉及一种基于光纤器件的光场生成装置及单波长超分辨光刻系统。
技术介绍
[0002]相对于掩膜版曝光式光刻，直写式光刻的加工不只局限于单一平面内，可实现任意三维结构的构建。相对于电子束、离子束等加工技术，直写式光刻无需在真空、强电磁场等极端环境下工作，可适用于生物学研究等更广泛的应用场景。因此直写式光刻技术在当今众多尖端科研和工业制造领域发挥着至关重要的作用。例如制造纳米机器人、超表面光学结构、生物学细胞支架、航空航天超材料、大规模集成电路生产所需的光学掩模版等。但由于直写式光刻通过聚焦光束焦斑在光刻胶中扫描来实现微结构加工，而汇聚焦斑的直径因受衍射极限限制最小只能达到其波长的一半量级，所以理论上通过直写式光刻加工的最小特征尺寸也只能达到光源波长的一半量级。若采用可见光作为直写式光刻的光源，则所得的最小特征尺寸约200nm，在如今很多前沿领域中，这种特征尺寸已经无法满足实际应用需求。
[0003]目前已研制出一些初始状态为液体的负性光刻胶。这种光刻胶分子在激发光功率密度非常大的区域有概率发生双光子吸收，即同时吸收两个特定波长的光子发生跃迁，引发一系列光化学反应而固化。一般在飞秒量级的超短脉冲激光所汇聚的焦斑的中心区域才能够实现这种双光子激发。除此之外，这种负性光刻胶还可通过吸收上述特定波长激光中的单个光子发生跃迁，只需皮秒或更宽脉冲的激光或连续激光照射即可引发单光子吸收过程，该过程不会引发光刻胶的固化且为可逆过程，即不被激光照射时，处于高能级的光刻胶分子会自行释放能量并回落至低能级。在被所述特定波长的飞秒激光和宽脉宽或连续激光焦斑同时照射的区域，光刻胶会优先吸收单光子跃迁，不会吸收双光子而固化。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术中直写式光刻系统刻写精度受衍射极限限制的不足，提供一种基于光纤器件的光场生成装置及单波长超分辨光刻系统。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光纤器件的组合光场生成装置，包括飞秒激光器、1
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2光纤耦合器、色散补偿模块、光纤延迟线、光纤光开关、光纤模式选择耦合器；所述光纤模式选择耦合器设有激发光输入端、抑制光输入端和输出端口；由飞秒激光器发出的激光，经由1
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2光纤耦合器后，分为激发光路和抑制光路；激发光路激光经过色散补偿模块、光纤光开关之后，进入光纤模式选择耦合器的激发光输入端；抑制光路激光经过光纤延迟线、光纤光开关之后，进入光纤模式选择耦合器的抑制光输入端；光纤模式选择耦合器采用光纤基模形式光场作为输入，从抑制光输入端输入的光场对应输出为具有环形光场分布形式的涡旋光；从激发光输入端输入的光场对应输出为普
通高斯型光场；光纤模式选择耦合器输出端口输出组合光场。
[0006]进一步地，装置中的各个元器件对于输入的飞秒激光均具有色散效应，当飞秒激光经过这些器件时，会因色散发生不同程度的脉冲展宽；所述色散补偿模块由光纤器件或空间光学器件实现，具有和其它光纤器件和空间光学器件相反的色散特性，使其所在光路中总色散量抵消为零，所以输入该光路的飞秒激光在最终输出时仍具有飞秒量级的脉冲宽度。
[0007]进一步地，所述色散补偿模块由光纤环形器和啁啾光纤光栅实现；激光经光纤环形器的第一端口入射后，首先由第二端口出射并进入啁啾光纤光栅，激光被啁啾光纤光栅反射后又通过第二端口入射光纤环形器，最终从光纤环形器的第三端口出射。
[0008]进一步地，所述色散补偿模块由透射式光栅对实现；激光首先通过光纤准直镜准直为空间光束，经反射镜反射后，依次通过透射式光栅对，再经中空屋脊型反射镜反射，之后再一次通过透射式光栅对，经反射镜反射后，进入光纤耦合器。
[0009]进一步地，所述光纤延迟线为一段对输入激光具有正向色散效应的单模光纤，使其中通过的激光脉冲宽度从飞秒量级展宽至皮秒量级，并通过光程匹配使激发光路中的飞秒脉冲和抑制光路中的皮秒脉冲，同步输入光纤模式选择耦合器。
[0010]进一步地，所述光纤光开关用于控制光纤光路的通断。
[0011]进一步地，光纤光开关对于飞秒激光器输出的激光的消光比不小于50dB，光纤光开关的最大调制频率不低于1MHz。
[0012]一种采用单波长飞秒激光输入的超分辨直写式光刻系统，包括权利要求1
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7任一项所述组合光场生成装置、空间光学透镜组、光刻胶、三维位移台；所述空间光学透镜组将光纤光路输出的光场汇聚到接近衍射极限的尺度；以便配合所述光刻胶的双光子聚合效应以及单光子抑制效应实现超分辨的直写式光刻；所述三维位移台控制搭载在其上的光刻胶样品池的x,y,z三方向的精密位移，配合光纤光开关，可使激光焦斑在光刻胶样品池中的指定空间位置产生并引发该位置光刻胶的固化。
[0013]进一步地，所述光刻胶的初始状态为液态，当被特定波长的激光照射时，根据激光脉冲宽度的不同，会发生不同的反应；其中，所述特定波长指可使光刻胶发生能级跃迁的波长：当光刻胶仅被飞秒脉冲激光照射，且光功率满足发生双光子吸收的条件时，并引发曝光区域内的光刻胶固化；当光刻胶被皮秒或更宽脉冲的激光照射时，光刻胶会吸收单光子发生跃迁，该过程不会引发光刻胶固化且可逆；当光刻胶同时被皮秒脉冲激光和飞秒脉冲激光照射时，将优先发生单光子吸收，双光子吸收会被极大抑制，不会引发光刻胶固化。
[0014]进一步地，还包括计算机控制单元，用于控制位移台的位移，和控制光刻过程中每一时刻光纤光路的通断，实现光刻过程中的全局控制。
[0015]本专利技术的有益效果是：本专利技术将单一飞秒光源输出光分为两路，其中一路通过元器件的色散将激光脉冲宽度展宽至皮秒量级，另一路通过引入色散补偿模块使激光脉冲宽度保持在飞秒量级。通过光纤模式选择耦合器的调制，将飞秒脉冲激光调制为高斯型激发光，并将皮秒脉冲激光调制为环形抑制光。通过输出的组合光斑和光刻胶的特性，使光刻的
最小特征尺寸缩减到衍射极限以下。由于采用同一波长不同脉冲宽度的激光作为激发光和抑制光，避免了由于系统中元器件色差引起的光斑不重合等问题。本专利技术通过配合光刻胶的特性实现突破衍射极限的高精度刻写，整个系统结构简单，抗外界干扰能力强，并且由于采用光纤器件完成系统核心结构光场的生成和输出，便于集成并构建大规模多路并行式的直写式光刻系统。
附图说明
[0016]图1为当激发光从光纤选模耦合器激发光输入端输入时输出高斯型光束的示意图；图2为当抑制光从光纤选模耦合器抑制光输入端输入时输出环形光束的示意图；图3为本专利技术通过光纤器件实现脉宽压缩的示意图；图4为本专利技术中光纤选模耦合器输出的组合焦斑示意图；其中，左边为激发光形成的飞秒脉宽高斯型焦斑；中间为抑制光形成的皮秒脉宽环形焦斑；右边为在激发光与抑制光共同作用下，实际能够引发光刻胶光聚合的有效光斑作用范围；图5为本专利技术通过空间光器件实现脉宽压缩的示意图；图中：飞秒激光器1、1...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，包括飞秒激光器、1
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2光纤耦合器、色散补偿模块、光纤延迟线、光纤光开关、光纤模式选择耦合器；所述光纤模式选择耦合器设有激发光输入端、抑制光输入端和输出端口；由飞秒激光器发出的激光，经由1
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2光纤耦合器后，分为激发光路和抑制光路；激发光路激光经过色散补偿模块、光纤光开关之后，进入光纤模式选择耦合器的激发光输入端；抑制光路激光经过光纤延迟线、光纤光开关之后，进入光纤模式选择耦合器的抑制光输入端；光纤模式选择耦合器采用光纤基模形式光场作为输入，从抑制光输入端输入的光场对应输出为具有环形光场分布形式的涡旋光；从激发光输入端输入的光场对应输出为普通高斯型光场；光纤模式选择耦合器输出端口输出组合光场。2.根据权利要求1所述基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，装置中的各个元器件对于输入的飞秒激光均具有色散效应，当飞秒激光经过这些器件时，会因色散发生不同程度的脉冲展宽；所述色散补偿模块由光纤器件或空间光学器件实现，具有和其它光纤器件和空间光学器件相反的色散特性，使其所在光路中总色散量抵消为零，所以输入该光路的飞秒激光在最终输出时仍具有飞秒量级的脉冲宽度。3.根据权利要求2所述基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，所述色散补偿模块由光纤环形器和啁啾光纤光栅实现；激光经光纤环形器的第一端口入射后，首先由第二端口出射并进入啁啾光纤光栅，激光被啁啾光纤光栅反射后又通过第二端口入射光纤环形器，最终从光纤环形器的第三端口出射。4.根据权利要求2所述基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，所述色散补偿模块由透射式光栅对实现；激光首先通过光纤准直镜准直为空间光束，经反射镜反射后，依次通过透射式光栅对，再经中空屋脊型反射镜反射，之后再一次通过透射式光栅对，经反射镜反射后，进入光纤耦合器。5.根据权利要求1所述基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，所述光纤延迟...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗昊，匡翠方，刘旭，李海峰，孙琦，魏震，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
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