一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统

摘要

本发明提供一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统，包括：利用声光偏转器实现每秒50000行的高速激光扫描，使激光点的扫描速度达到5000mm/s以上。本发明消除了超快激光经过声光偏转器产生的角色散，补偿了声光偏转器高速扫描引入的像散，使扫描范围内的激光点均能实现紧聚焦，具有相同的峰值功率，实现扫描范围内任意位置处的加工特征尺寸相同且达到衍射极限值，进而实现对任意三维微纳结构的高速、高精度加工。本发明通过消除超快激光经过声光偏转器产生的角色散，补偿声光偏转器高速扫描引入的像散，实现了与传统双光子聚合激光直写加工系统相同的加工特征尺寸，同时大幅提高了加工速度，可将加工效率提高500倍以上。

说明书

本申请要求于2021年1月8日提交中国国家知识产权局、申请号为2021100253382、发明名称为“一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统。

背景技术

双光子聚合激光直写是一种利用超快激光的紧聚焦激光点对光敏材料进行曝光，直接得到三维微纳结构的加工技术，这种加工技术基于双光子吸收效应与双光子聚合效应。双光子吸收效应是一种三阶非线性效应，该效应作用强度与光强的平方成正比。双光子聚合是指光敏材料经过紧聚焦的超快激光的照射，在紧聚焦焦点附近的双光子吸收效应强度大，产生大量自由基，当自由基浓度大于一定阈值时，聚合成链并形成微结构。只有当激光强度大于一定阈值时，才会发生双光子聚合效应；通过控制激光强度，可以使双光子聚合效应只在小于紧聚焦焦点艾里斑的尺度内发生，实现超越衍射极限的微结构加工精度，其加工横向特征尺寸可以达到200nm以下，纵向特征尺寸可以达到1um以下。双光子聚合直写加工技术具有加工分辨率高、热效应小的优点，在微纳电子学、微机械、微光学器件等方面得到了广泛应用。

双光子聚合激光直写技术采用逐点曝光的加工方式实现复杂三维微结构的制造，逐点曝光的速度限制了该技术的产率，降低了其所加工的复杂三维微结构的实用性。例如期刊文献《Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks(Voxels)into LargeFunctional 3D Metamaterials》(Advanced functional materials，2020)中列举了利用商用加工系统制造的衍射光学元件，该衍射光学元件直径达到6mm，满足使用需求，然而加工时间长达50小时，无法满足大规模应用需求。因此提高双光子聚合激光直写的加工速度、降低复杂三维微纳结构的加工时间成为了本领域的关键问题。

双光子聚合激光直写加工系统利用高数值孔径物镜对超快激光进行紧聚焦，利用扫描器改变光束的偏转角，实现紧聚焦激光点在光刻胶内的二维移动，同时通过控制光束的通断，完成二维图形的扫描。紧聚焦激光点完成一层图形的扫描后，改变光刻胶与物镜之间距离，进行逐层扫描，最终完成三维微纳结构的曝光。为了提高加工速度，需要提高紧聚焦激光点的扫描速度。扫描器改变光束偏转角的频率越高，紧聚焦激光点的扫描速度越快，因此提高扫描器改变光束偏转角的频率成为了提高加工速度的关键。

扫描器可分为机械偏转式扫描器与衍射偏转式扫描器两类。机械偏转式扫描器通过旋转反射面实现光束偏转，包括多面转镜、振镜与共振镜。衍射偏转式扫描器通过调制光的波前实现光束偏转，包括液晶空间光调制器、数字微镜阵列与声光偏转器。下表对比了不同扫描器的最大扫描频率，并列举了参考文献。

由此可见，声光偏转器具有最快的线扫描频率，可以达到50kHz，适合进行高速激光扫描。中国专利CN109514093A提出了一种利用声光偏转器进行分散区域调整的激光加工装置，该装置利用声光偏转器对脉冲激光进行调制，实现高速扫描。声光偏转器对超快激光进行高速扫描有两方面的问题，首先，超快激光具有较大的光谱宽度(通常为3nm-10nm)，经过声光偏转器时产生角色散；其次，声光偏转器在高速扫描时，使光束在扫描方向上聚焦，引入像散，最终会使超快激光无法紧聚焦，聚焦光点的峰值功率下降，导致无法进行双光子聚合加工。针对上述问题，中国专利CN1749803A提出利用角色散棱镜补偿声光偏转器扫场中心角色散，该专利中棱镜顶角需要满足角色散补偿的要求，使棱镜对激光的透射率较低，同时声光偏转器扫场边缘角色散未得到完全补偿，使扫场边缘的激光点无法实现紧聚焦；美国专利US007332705提出利用一对扫描方向相反的声光偏转器进行像散补偿，该方法对激光的透射率较低，约20％，限制了紧聚焦激光点的功率，无法满足高速激光扫描的需求。

综上所述，目前并没有基于声光偏转器的高速双光子聚合激光直写加工系统的报道，无法实现对任意三维微纳结构的高速、高精度加工。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统，旨在解决目前没有基于声光偏转器的高速双光子聚合激光直写加工系统的报道，无法实现对任意三维微纳结构的高速、高精度加工的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统，包括：超快激光器、扩束器、扫场中心角色散补偿器件、二维声光偏转器、扫场边缘角色散补偿器件、像散补偿器件以及聚焦物镜；

超快激光器用于发射超快激光；

扩束器用于对超快激光进行准直扩束；准直扩束后的激光依次经过所述扫场中心角色散补偿器件和所述二维声光偏转器；

扫场中心角色散补偿器件用于根据所述二维声光偏转器的参数对二维声光偏转器扫场中心的角色散进行预补偿；

二维声光偏转器用于对扫场中心角色散预补偿后的激光进行预设角度的偏转，使偏转后的激光满足激光直写的需求；所述二维声光偏转器由两个正交放置的一维声光偏转器组成；

经过所述二维声光偏转器偏转后的激光依次经过所述扫场边缘角色散补偿器件和所述像散补偿器件，所述扫场边缘角色散补偿器件用于对二维声光偏转器扫场边缘的角色散进行补偿；所述像散补偿器件用于对二维声光偏转器对激光进行偏转过程中引入的像散进行补偿；

聚焦物镜用于对所述像散补偿器件补偿后的激光进行紧聚焦后出射到光敏材料，以对光敏材料进行双光子聚合激光直写，并通过所述二维声光偏转器对所述预设角度进行控制，以实现对光敏材料不同位置的双光子聚合激光直写。

在一个可选的实施例中，扫场中心角色散补偿器件包括：依次放置的角色散器件和中继镜；

二维声光偏转器扫场中心处的角色散值为

超快激光以预设入射角入射到角色散器件，使从角色散器件出射的激光功率达到最大，能量利用率最高；当从角色散器件出射的激光功率达到最大时，所述角色散器件在超快激光中心波长λ

在一个可选的实施例中，扫场边缘角色散补偿器件包括：前镜组和后镜组；

前镜组包括依次放置的双凸透镜和弯月透镜，后镜组包括依次放置的双凹透镜与双凸透镜；

扫场边缘角色散补偿器件产生的角色散与扫场边缘处的角色散等大反向；所述扫场边缘处的角色散值为

在一个可选的实施例中，像散补偿器件在光束聚焦方向上的焦距f

在一个可选的实施例中，角色散器件为折射棱镜，折射棱镜的顶角θ

在一个可选的实施例中，角色散器件为衍射光栅，预设入射角θ

在一个可选的实施例中，两个正交放置的一维声光偏转器包括：第一一维声光偏转器和第二一维声光偏转器；

第一一维声光偏转器用于对激光高速扫描，所述激光在高速扫描的方向上聚焦，会引入像散；

第二一维声光偏转器在第一一维声光偏转器完成一行的高速扫描后，在其高速扫描的正交方向上改变下一行的扫描位置，以实现对激光进行预设角度的偏转。

在一个可选的实施例中，像散补偿器件为柱面镜；

柱面镜的焦距为

像散补偿器件在第一一维声光偏转器的扫描方向上的焦距与第一一维声光偏转器高速扫描引起的光束聚焦的焦距等大反向。

在一个可选的实施例中，像散补偿器件为空间光调制器；

空间光调制器用于调制的波前函数为

在一个可选的实施例中，聚焦物镜的数值孔径大于0.7。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统，补偿了二维声光偏转器的扫场中心角色散和扫场边缘角色散，使扫场范围内激光焦点的横向特征尺寸一致；补偿了二维声光偏转器高速扫描过程中引入的像散，使扫场范围内激光焦点实现紧聚焦，且达到衍射极限；通过消除超快激光经过声光偏转器产生的角色散，补偿声光偏转器高速扫描引入的像散，实现了与传统双光子聚合激光直写加工系统相同的加工特征尺寸，进一步实现了基于声光偏转器的高速双光子聚合激光直写加工系统，实现每秒50000行的高速激光扫描加工，其扫描速度达到5000mm/s以上，其加工效率与传统加工系统相比，提高了500倍以上，可以实现对任意三维微纳结构的高速、高精度加工。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统架构图；

图2为本发明实施例提供的一种扫场中心角色散补偿器件的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种扫场中心角色散补偿器件的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种扫场边缘角色散补偿器件的补偿效果图；

图5为本发明实施例提供的一种像散效应补偿器件的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种像散效应补偿器件的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，包括：超快激光器1，声光强度调制器2，扩束镜3，角色散器件4，中继镜5，扫场中心角色散补偿器件6，第一一维声光偏转器7，第二一维声光偏转器8，二维声光偏转器9，第一双凸透镜10，弯月透镜11，双凹透镜12，第二双凸透镜13，扫场边缘角色散补偿器件14，像散补偿器件15，第一导光器件16，第二导光器件17，第一镜组18，第二镜组19，分光器件20，聚焦物镜21，光刻胶22，载物台23，管镜24，图像传感器25，控制器26，折射棱镜401、衍射光栅402，600为入射到角色散器件的激光光束，1500为入射到像散补偿器件的激光光束，柱面镜1501以及空间光调制器1502。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提出一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统，通过利用声光偏转器实现每秒50000行的高速激光扫描，使激光点的扫描速度达到5000mm/s以上。本发明消除了超快激光经过声光偏转器产生的角色散，补偿了声光偏转器高速扫描引入的像散，使扫描范围内的激光点均能实现紧聚焦，具有相同的峰值功率，实现扫描范围内任意位置处的加工特征尺寸相同且达到衍射极限值，进而实现对任意三维微纳结构的高速、高精度加工。本发明通过消除超快激光经过声光偏转器产生的角色散，补偿声光偏转器高速扫描引入的像散，实现了与传统双光子聚合激光直写加工系统相同的加工特征尺寸，同时大幅提高了加工速度，可将加工效率提高500倍以上。

具体地，本发明提供的基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统，包括：二维声光扫描组件、像散补偿器件、聚焦物镜和观察组件。

二维声光扫描组件，用于实现对超快激光光束的二维快速扫描，同时消除超快激光经过声光偏转器产生的角色散，包括依次放置的超快激光器、声光强度调制器、扩束镜、扫场中心角色散补偿器件、二维声光偏转器和扫场边缘角色散补偿器件。工作时，超快激光器发出超快激光；经过声光强度调制器，调节激光的功率；受调制后的激光束经过扩束镜，进行准直扩束，接着经过扫场中心角色散补偿器件，对二维声光偏转器扫场中心的角色散进行预补偿；再经过二维声光偏转器，对经过的激光束进行偏转；最后经过扫场边缘角色散补偿器件，对扫场边缘的角色散进行补偿。

二维声光偏转器由两个正交放置的一维声光偏转器组成。

扫场中心角色散补偿器件用于补偿扫场中心处的角色散，其产生的角色散与扫场中心处的角色散等大反向。扫场中心处的角色散值为

优选的，扫场中心角色散补偿器件的主平面与二维声光偏转器中任意一个一维声光偏转器的夹角为45°。

优选的，扫场边缘角色散补偿器件包括前镜组和后镜组。

作为进一步优选的，前镜组包括依次放置的双凸透镜与弯月透镜。其中双凸透镜的材料为H-K9L，前表面曲率半径为48.12mm，后表面曲率半径为-31.16mm，前后表面间距为6mm；弯月透镜的材料为H-ZF88，前表面曲率半径为-31.03mm，后表面曲率半径为-119.94mm，前后表面间距为2mm。

作为进一步优选的，后镜组包括依次放置的双凹透镜与双凸透镜。其中双凹透镜的材料为H-K9L，前表面曲率半径为-95.81mm，后表面曲率半径为75.26mm，前后表面间距为3.49mm；双凸透镜的材料为H-ZF88，前表面曲率半径为127.94mm，后表面曲率半径为-106.47mm，前后表面间距为6mm。

像散补偿器件用于补偿二维声光偏转器高速扫描引入的像散。该像散引起光束在扫描方向上聚焦，其在超快激光中心波长λ

优选的，像散补偿器件可以为柱面镜，其焦距与高速扫描一行所需的时间T

优选的，像散补偿器件可以为空间光调制器，需要加载柱面镜所对应的相位全息图，其焦距与高速扫描一行所需的时间T

聚焦物镜，用于对激光束进行紧聚焦。所述聚焦物镜的数值孔径大于0.7。

观察组件，用于对激光加工过程进行在线观察。其包括依次放置且位于同一光路中的分光组件、管镜与图像传感器，工作时，分光组件使激光入射聚焦物镜，并使加工过程中产生的荧光信号等通过管镜收集，并在图像传感器上成像。

优选的，分光组件可以为二向色平板分光镜。

优选的，分光组件可以为二向色分光棱镜。

图1为本发明实施例提供的一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统架构图，如图1所示，包括：超快激光器1，声光强度调制器2，扩束镜3，角色散器件4，中继镜5，扫场中心角色散补偿器件6，第一一维声光偏转器7，第二一维声光偏转器8，二维声光偏转器9，第一双凸透镜10，弯月透镜11，双凹透镜12，第二双凸透镜13，扫场边缘角色散补偿器件14，像散补偿器件15，第一导光器件16，第二导光器件17，第一镜组18，第二镜组19，分光器件20，聚焦物镜21，光刻胶22，载物台23，管镜24，图像传感器25以及控制器26。

二维声光扫描组件，如图1所示，包括依次放置的超快激光器1，声光强度调制器2、扩束镜3、扫场中心角色散补偿器件6、二维声光偏转器9和扫场边缘角色散补偿器件14。工作时，超快激光器1发出超快激光；经过声光强度调制器2，调节激光的功率；受调制后的激光束经过扩束镜3，进行准直扩束，接着经过扫场中心角色散补偿器件6，对二维声光偏转器9扫场中心的角色散的补偿；再经过二维声光偏转器9，对经过的激光束进行偏转；最后经过扫场边缘角色散补偿器件14，对扫场边缘的角色散进行补偿。

所述二维声光偏转器9由两个正交放置的第一一维声光偏转器7和第二一维声光偏转器8组成。

优选的，声光强度调制器2与第一一维声光偏转器7和第二一维声光偏转器8分别由控制器26控制。第一一维声光偏转器7的扫描方向与第二一维声光偏转器8的扫描方向垂直。可以由控制器26控制第一一维声光偏转器7进行高速行扫描，扫描完一行后，再控制第二一维声光偏转器8改变行扫描位置，进而完成整个加工平面的扫描。在控制器26控制二维声光偏转器完成平面扫描的过程中，同时控制声光强度调制器2进行光强度调制，这样就能在加工平面上扫描出特定的图形。

所述扫场中心角色散补偿器件6用于补偿扫场中心处的角色散，其在超快激光中心波长λ

优选的，所述扫场中心角色散补偿器件6包括依次放置的角色散器件4与中继镜5。超快激光以特定角度入射角色散器件4，使从角色散器件4出射的激光功率达到最大，能量利用率最高，此时角色散器件4在超快激光中心波长λ

优选的，扫场中心角色散补偿器件6的主平面与二维声光偏转器9中的一维声光偏转器7的夹角为45°。

所述扫场边缘角色散补偿器件14用于补偿二维声光偏转器9的扫场边缘的角色散，其产生的角色散与扫场边缘处的角色散等大反向。扫场边缘处的角色散值为

优选的，所述扫场边缘角色散补偿器件14包括前镜组和后镜组。

作为进一步优选的，所述前镜组包括依次放置的双凸透镜10与弯月透镜11。其中双凸透镜10的材料为H-K9L，前表面曲率半径为48.12mm，后表面曲率半径为-31.16mm，前后表面间距为6mm；弯月透镜11的材料为H-ZF88，前表面曲率半径为-31.03mm，后表面曲率半径为-119.94mm，前后表面间距为2mm。

作为进一步优选的，所述后镜组包括依次放置的双凹透镜12与双凸透镜13。其中双凹透镜12的材料为H-K9L，前表面曲率半径为-95.81mm，后表面曲率半径为75.26mm，前后表面间距为3.49mm；双凸透镜13的材料为H-ZF88，前表面曲率半径为127.94mm，后表面曲率半径为-106.47mm，前后表面间距为6mm。

所述像散补偿器件15用于校正第一一维声光偏转器7高速扫描引入的像散。该像散引起光束在第一一维声光偏转器7的扫描方向上聚焦，其在超快激光中心波长λ

所述导光组件由导光器件16和导光器件17组成，用于转折光束。所述中继组件由镜组18与镜组19组成，镜组18的后焦面与镜组19的前焦面重合，构成4F中继系统，用于将光束导入聚焦物镜21。

所述聚焦物镜21，用于对激光束进行紧聚焦，将激光束聚焦至光刻胶22内部，光刻胶22位于聚焦物镜21与载物台23之间。所述聚焦物镜21的数值孔径大于0.7。

所述观察组件，用于对激光加工过程进行在线观察。其包括依次放置且位于同一光路中的分光器件20、管镜24与图像传感器25，工作时，分光器件20使激光入射聚焦物镜21，并使加工过程中产生的荧光信号等通过管镜24收集，并在图像传感器25上成像，控制器26控制图像传感器25，用于实现在线观察。

在一个示例中，如图2所示，所述扫场中心角色散补偿器件6可以为折射棱镜401与中继镜5。折射棱镜401的顶角θ

在一个示例中，如图3所示，所述扫场中心角色散补偿器件6可以为衍射光栅402与中继镜5。所述超快激光射入衍射光栅402的入射角θ

在一个示例中，如图4所示，图4中(a)为二维声光偏转器9的扫场边缘光斑测试图，该光斑带有角色散，在角色散方向上光斑拉伸变形；图4中(b)为利用扫场边缘角色散补偿器件14补偿扫场边缘角色散后的光斑测试图，该光斑角色散得到补偿，在角色散方向上的拉伸变形消失，光斑变为圆形。

在一个示例中，如图5所示，所述像散补偿器件15可以为柱面镜1501。在第一一维声光偏转器7高速扫描方向上聚焦的光束1500经过柱面镜1501，柱面镜1501的焦距为

在一个示例中，如图6所示，所述像散补偿器件15可以为空间光调制器1502。在第一一维声光偏转器7高速扫描方向上聚焦的光束1500经过空间光调制器1502，光束1500的波前得到调制，用于调制的波前函数为

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。