【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光直写，尤其涉及一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置及方法。
技术介绍
1、目前飞秒双光子直写技术精度难以突破100nm瓶颈，在飞秒光外围叠加一束涡旋抑制光，即边缘光抑制（peripheral photoinhibition，ppi）技术，可进一步提高刻写精度。单光束ppi技术的刻写效率严重受限，多光束并行刻写的方法可有效提升刻写通量和刻写效率。文献[xiangping li, yaoyu cao, nian tian, ling fu, and min gu, "multifocal optical nanoscopy for big data recording at 30 tb capacity andgigabits/second data rate," optica 2, 567-570 (2015)]通过两个空间光调制器（spatial light modulator，slm）分别产生四束实心激发光和涡旋抑制光，再通过两者空间匹配得到四束独立可控ppi光斑。然而，随着ppi光斑数量的提升，各光斑的质量、均一性及独立调控能力将大幅度下降，且双光束的匹配难度将大幅度增加，目前已报道文献所实现的并行ppi光斑数量只有4束，难以提升其刻写效率，更无法实现产业化应用。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置及方法。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于千束焦斑独立调控
3、所述激发光光源产生入射的激发光，激发光先通过第一扩束器进行扩束，经过第一光束整形器进行光斑匀化，再通过第一反射镜将激发光反射到数字微镜阵列上；所述抑制光光源产生入射的抑制光，抑制光先通过第二扩束器进行扩束，经过第二光束整形器进行光斑匀化，再通过第二反射镜将抑制光反射到数字微镜阵列上；所述激发光和抑制光从数字微镜阵列的法线出射并进行合束，合束后的双光束通过第一透镜和第二透镜组成的1：1成像系统入射微透镜阵列，使数字微镜阵列上的光场成像到微透镜阵列表面，并在微透镜阵列焦面产生千束边缘光抑制光斑阵列，该光斑阵列通过第三透镜和物镜组成的成像系统，成像在位移台上样品内的物镜焦面，实现对位移台所承载样品的刻写。
4、进一步地，通过调节所述第一反射镜的角度使激发光从数字微镜阵列表面垂直出射；通过调节所述反射镜的角度使抑制光从数字微镜阵列表面垂直出射。
5、进一步地，所述数字微镜阵列表面法线沿光轴方向，内部微镜翻转轴沿竖直方向。
6、进一步地，所述激发光和抑制光经过扩束和光斑匀化后，分别从法线两侧以相同入射角24°入射数字微镜阵列，数字微镜阵列“开”微镜从法线方向反射所需激发光，“关”微镜从法线方向反射所需抑制光，从法线方向出射并重合的抑制光和激发光在数字微镜阵列上的光场分布互补，即无激发光的区域被抑制光全部占据，无抑制光的区域被激发光全部占据。
7、进一步地，以微透镜阵列中各微透镜的尺寸和分布为模板，将数字微镜阵列的微镜阵列划分成n×m个相同的子区域，每个子区域内包含n×n个微镜，各子区域成像到微透镜阵列表面并与微透镜阵列的n×m个微透镜一一重合对准，并在微透镜阵列焦面产生焦点阵列，一个子区域、一个微透镜和一个焦点一一对应；同时，对每个子区域内的n×n个微镜状态分布进行设计，每个子区域内中心微镜“开”，从数字微镜阵列法线反射激发光，其余外围微镜“关”，从数字微镜阵列法线反射抑制光，该子区域内的激发光被抑制光包围，并成像到微透镜阵列表面，被一个微透镜收集，在其焦面产生一个边缘光抑制焦斑，n×m个子区域最终形成n×m个边缘光抑制焦斑。
8、进一步地，所述边缘光抑制光斑由中心激发光和外围抑制光两部分组成。
9、进一步地，通过中心激发光使光刻胶发生聚合，外围抑制光抑制聚合过程，从而实现超分辨高精度刻写。
10、进一步地，通过调节数字微镜阵列的子区域内“开”“关”微镜数量的比例，从而调控边缘光抑制光斑的激发光和抑制光的光强比，实现高精度调谐灰度刻写。
11、进一步地，所述边缘光抑制光斑内抑制-激发的强弱比例调节精度取决于数字微镜阵列中一个微镜在数字微镜阵列子区域内的占比。
12、为实现上述目的，本专利技术还提供了一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置的刻写方法，包括：
13、所述激发光光源产生入射的激发光，激发光先通过第一扩束器进行扩束，经过第一光束整形器进行光斑匀化，再通过第一反射镜将激发光反射到数字微镜阵列上；所述抑制光光源产生入射的抑制光，抑制光先通过第二扩束器进行扩束，经过第二光束整形器进行光斑匀化，再通过第二反射镜将抑制光反射到数字微镜阵列上；所述激发光和抑制光从数字微镜阵列的法线出射并进行合束，合束后的双光束通过第一透镜和第二透镜组成的1：1成像系统入射微透镜阵列，使数字微镜阵列上的光场成像到微透镜阵列表面，并在微透镜阵列焦面产生千束边缘光抑制光斑阵列，该光斑阵列通过第三透镜和物镜组成的成像系统，成像在位移台上样品内的物镜焦面，实现对位移台所承载样品的刻写。
14、本专利技术的有益效果是：本专利技术利用数字微镜阵列（digital micromirrordevices，dmd）和微透镜阵列(microlens array，mla)产生千束独立可控的焦点阵列，同时结合激发光和抑制光双光束形成边缘光抑制ppi光斑的特性，得到千束独立可调的ppi光斑阵列，该装置不仅结构简单，且可将刻写通量提升千倍，同时，可大幅度提升刻写精度，突破刻写速度和刻写精度无法兼顾的瓶颈；此外，千束ppi中各光斑内部激发光和抑制光的比例可精准调控，使得本专利技术兼具高精度调谐的灰度刻写能力。综上，本专利技术具有超高通量、高精度、独立调控、复杂结构灵活刻写、灰度刻写的三维加工能力。
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1.一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，包括激发光光源（1）、第一扩束器（2）、第一光束整形器（3）、第一反射镜（4）、抑制光光源（5）、第二扩束器（6）、第二光束整形器（7）、第二反射镜（8）、数字微镜阵列（9）、第一透镜（10）、第二透镜（11）、微透镜阵列（12）、第三透镜（13）、物镜（14）和位移台（15）；
2.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，通过调节所述第一反射镜（4）的角度使激发光从数字微镜阵列（9）表面垂直出射；通过调节所述反射镜（8）的角度使抑制光从数字微镜阵列（9）表面垂直出射。
3.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，所述数字微镜阵列（9）表面法线沿光轴方向，内部微镜翻转轴沿竖直方向。
4.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，所述激发光和抑制光经过扩束和光斑匀化后，分别从法线两侧以相同入射角24°入射数字微镜阵列（9），数字微镜阵列（9）“开”微镜从法线方向反射所需激发光，“关”微镜
5.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，以微透镜阵列（12）中各微透镜的尺寸和分布为模板，将数字微镜阵列（9）的微镜阵列划分成N×M个相同的子区域，每个子区域内包含n×n个微镜，各子区域成像到微透镜阵列（12）表面并与微透镜阵列（12）的N×M个微透镜一一重合对准，并在微透镜阵列（12）焦面产生焦点阵列，一个子区域、一个微透镜和一个焦点一一对应；同时，对每个子区域内的n×n个微镜状态分布进行设计，每个子区域内中心微镜“开”，从数字微镜阵列（9）法线反射激发光，其余外围微镜“关”，从数字微镜阵列（9）法线反射抑制光，该子区域内的激发光被抑制光包围，并成像到微透镜阵列（12）表面，被一个微透镜收集，在其焦面产生一个边缘光抑制焦斑，N×M个子区域最终形成N×M个边缘光抑制焦斑。
6.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，所述边缘光抑制光斑由中心激发光和外围抑制光两部分组成。
7.根据权利要求6所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，通过中心激发光使光刻胶发生聚合，外围抑制光抑制聚合过程，从而实现超分辨高精度刻写。
8.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，通过调节数字微镜阵列（9）的子区域内“开”“关”微镜数量的比例，从而调控边缘光抑制光斑的激发光和抑制光的光强比，实现高精度调谐灰度刻写。
9.根据权利要求8所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，所述边缘光抑制光斑内抑制-激发的强弱比例调节精度取决于数字微镜阵列（9）中一个微镜在数字微镜阵列（9）子区域内的占比。
10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置的刻写方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，包括激发光光源（1）、第一扩束器（2）、第一光束整形器（3）、第一反射镜（4）、抑制光光源（5）、第二扩束器（6）、第二光束整形器（7）、第二反射镜（8）、数字微镜阵列（9）、第一透镜（10）、第二透镜（11）、微透镜阵列（12）、第三透镜（13）、物镜（14）和位移台（15）；
2.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，通过调节所述第一反射镜（4）的角度使激发光从数字微镜阵列（9）表面垂直出射；通过调节所述反射镜（8）的角度使抑制光从数字微镜阵列（9）表面垂直出射。
3.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，所述数字微镜阵列（9）表面法线沿光轴方向，内部微镜翻转轴沿竖直方向。
4.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，所述激发光和抑制光经过扩束和光斑匀化后，分别从法线两侧以相同入射角24°入射数字微镜阵列（9），数字微镜阵列（9）“开”微镜从法线方向反射所需激发光，“关”微镜从法线方向反射所需抑制光，从法线方向出射并重合的抑制光和激发光在数字微镜阵列（9）上的光场分布互补，即无激发光的区域被抑制光全部占据，无抑制光的区域被激发光全部占据。
5.根据权利要求1所述的基于千束焦斑独立调控的超分辨灰度刻写装置，其特征在于，以微透镜阵列（12）中各微透镜的尺寸和分布为模板，将数字微镜阵列（9）的微镜阵列划分成n×m个相同的子区域，每个子区域内包含n×n个微镜...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨顺华，苏晨怡，杨臻垚，施钧辉，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
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