一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供了一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置，涉及激光加工设备技术领域，包括装置本体，装置本体上沿激光出射路径依次设置有激光器、扫描模块、聚焦模块、数字微镜、投影延迟模块、物镜、三维平台，装置本体上还设置有界面探测模块、功率控制模块、显微成像模块、信号控制模块，界面探测模块位于扫描模块之前，显微成像模块用于对加工物体实时成像。能够大幅提高纳米级三维激光直写的加工效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置


[0001]本技术涉及激光加工设备
，尤其涉及一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置及方法。

技术介绍

[0002]超快激光加工具有非接触、热效应小、加工精度高、加工材料广泛等优势，被广泛应用于激光微纳加工领域。并且，借助于超快激光与在光敏材料中产生的多光子聚合非线性效应，还能完成三维的超精细加工，实现100纳米以下精度的三维结构的精密加工，在实现多层三维光学高密度信息存储，在制作光波导、分束器和耦合器等光子芯片集成，以及在制造生物芯片和微纳光学器件等很多领域都有重要应用。
[0003]虽然基于多光子效应的超快激光加工可以实现高精度纳米级的三维加工，但是此加工技术的最大缺点是加工效率不高。传统的单点扫描式超快激光微纳加工技术每次只能加工一个微结构单元，完成整体结构加工，一般需要几十分钟甚至几小时的时间。由于加工效率低，达不到微纳加工产业化的要求，很大程度上制约了超快激光加工技术在微纳制造领域的发展及应用。为了能提高超快激光微加工过程中的加工效率，主要采用并行加工的方法。目前使用传统的并行加工方法主要有：多激光器法【CN201310537641.6】和多振镜法【CN201610362376.6】，这些方法在装置中增加多个激光器或者多个扫描振镜来提高加工效率，但此方法大大增加了生产成本，同时受限于协同控制加工的时序性，实际加工速度提高不大。除此之外，还有使用分光元件(比如微透镜阵列、衍射光学元件等)将入射光分成多光束，实现多焦点并行加工；或者利用空间光调制器调制入射光场，实现无掩模图形化加工【CN202110768796.5，光学学报，40(10)：1014004，2020】等。但这些方法不能对光束进行独立控制，只能加工规则排列的阵列结构，缺乏控制的灵活性，同时难以实现对多光束的动态精确控制，不能对复杂的结构进行精细加工，加工效率提升有限。为了进一步增大加工速度，最近提出了一种基于数字微镜(DMD)技术的纳米级三维加工技术【Science 366,105
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109(2019)；Nano Lett.2021,21,3915
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3921；Light:Science&Applications(2021)10:199】，此技术作为一种图案化微纳加工技术，通过一次曝光就实现纳米级特征尺寸的图案加工。虽然这种通过在空间和时间上聚焦超快激光来实现基于投影的层与层之间的并行图案式加工，可以有效地提高纳米级加工的效率，但同时也存在一些问题。首先，利用超快激光投影加工时，一般使用超短激光脉冲，因此在加工过程中超短脉冲激光经过数字微镜阵列后会引起色散，影响加工结构的质量。其次，这种技术利用的是数字微镜和物镜之间的物象关系，利用数字微镜的单个像素的投影成像来实现图案式加工，因此很难完全利用物镜的高数值孔径聚焦效应，因此在轴向方向上很难实现高分辨率的三维加工。最后，最主要的问题是，基于数字微镜实现的投影物象关系，导致聚焦激光得功率密度严重不足。在整个数字微镜的投影聚焦面上，普通激光器很难聚焦实现多光子聚合反应，需要非常高功率的激光器来实现。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术中的不足，本技术提供了一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置，以提高纳米级三维激光直写的加工效率。
[0005]本技术为了解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置，包括装置本体，装置本体上设置有激光器、功率控制模块、扫描模块、聚焦模块、数字微镜、投影延迟模块、物镜、三维平台、界面探测模块、显微成像模块、信号控制模块、计算机；所述激光器出射的激光用于与加工物质相互作用，加工出所需的结构及器件；所述功率控制模块用于控制激光的功率大小及开关光；所述扫描模块用于激光沿二维方向的高速偏转；所述聚焦模块用于将发生偏转的激光聚焦在数字微镜器件上，且保证焦点在整个数字微镜平面上大小不变；所述数字微镜器件用于调制激光，控制扫描激光焦点在不同位置处的开关光；所述投影延迟模块用于将从数字微镜反射回的激光准直为平行光束，且光束大小与物镜通光孔匹配；物镜用于激光的紧聚焦，可以将从整个数字微镜调制的扫描激光焦点缩放为加工的图案；所述三维平台用于移动加工物体，配合数字微镜实现三维结构的加工；所述界面探测模块用于加工界面的探测；所述显微成像模块可以对加工区域实时成像，用于加工过程的实时检测；所述信号控制模块用于整个装置的信号同步和控制；所述计算机用于操控整个装置及加工过程的控制。
[0006]整个装置的工作过程为：首先，从激光器出射的激光经功率控制模块调制后，进入扫描模块，扫描模块可以将激光光束在二维方向上发生偏转；扫描偏转的激光经聚焦模块后，将激光光束聚焦为一个焦点，焦点可以沿着数字微镜阵列面上每个像素扫描移动；经数字微镜调制后，激光焦点经投影延迟模块后变为平行光；准直后的平行光入射到物镜，经物镜聚焦后形成扫描图案式焦点，可以在样品池中加工出所需的三维结构物体。装置中的界面探测模块加在扫描模块之前，可以用于自动聚焦定位加工界面和加工过程中加工位置的判断；显微成像模块可以对加工物体实时成像。其中，扫描模块、聚焦模块、投影延迟模块和物镜组成一个4f光学系统，数字微镜置于4f系统第一个焦距上。数字微镜上的单个像素经投影延迟模块后进入物镜的光束为平行光，可以有效利用物镜的数值孔径。
[0007]激光器为飞秒激光器，出射的515nm飞秒激光。
[0008]功率控制模块包括声光调制器，通过声光调制器控制激光功率和开关光。
[0009]扫描模块包括双轴高速扫描振镜组件，双轴高速扫描振镜组件将入射的飞秒激光光束在二维方向上发生偏转扫描。双轴高速扫描振镜组件前设置有第一分束器，第一分束器用于将探测光合束到光路中。
[0010]聚焦模块包括焦距f1＝200mm聚焦透镜、全反射棱镜，聚焦透镜用于将扫描激光聚焦到数字微镜上；全反射棱镜用于改变入射到数字微镜上的入射角度，使得出射光衍射效率最高。
[0011]投影延迟模块包括焦距f2＝200mm准直透镜，准直透镜用于将DMD出射的激光准直为平行光。准直透镜后设置有第二分束器，第二分束器为一二向色镜，用于显微成像光与加工光的分束。
[0012]物镜为油浸物镜，可以进入到样品池中，样品池里装有光刻胶。
[0013]界面探测模块包含有探测光源、光电探测器件、控制器件，用于加工过程中的界面定位。
[0014]显微成像模块包含有LED照明光源、成像探测器、控制器；控制卡用于整个装置的信号同步和控制；计算机用于操控整个装置及加工过程的控制。
[0015]从以上技术方案可以看出，本技术具有以下优点：
[0016]本申请与传统投影加工装置的最大不同之处在于，利用聚焦的焦点扫描整个数字微镜阵列，将经数字微镜调制后的扫描焦点投影到物镜焦平面上，实现扫描投影加工。其中，扫描模块、聚焦模块、投影延迟模块和物镜组成一个4f光学系统，数字微镜置于4f系统第一个焦距上，此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，包括装置本体，装置本体上沿激光出射路径依次设置有激光器、扫描模块、聚焦模块、数字微镜、投影延迟模块、物镜、三维平台，装置本体上还设置有界面探测模块、功率控制模块、显微成像模块、信号控制模块，界面探测模块位于扫描模块之前，显微成像模块用于对加工物体实时成像。2.如权利要求1所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，激光器为飞秒激光器。3.如权利要求1所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，功率控制模块包括声光调制器，声光调制器用于控制激光功率和开关光。4.如权利要求1所述的快速扫描式纳米级三维激光加工装置，其特征在于，扫描模块包括双轴高速扫描振镜组件，双轴高速扫描振镜组件用于将入射的飞秒激光光束在二维方向上发生偏转扫描，双轴高速扫描振镜组件前设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：史强，朱林伟，
申请(专利权)人：烟台魔技纳米科技有限公司，
类型：新型
国别省市：