一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括：飛秒激光器、外光路調(diào)制單元、取像裝置、聚焦透鏡、位移臺(tái)、計(jì)算機(jī)以及監(jiān)控裝置，其中，取像裝置，用于對(duì)三維微納器件的截面圖形逐層進(jìn)行取像，以使調(diào)制后的飛秒激光形成按照所述各層截面圖形排列的并行光束。本發(fā)明不僅可以同時(shí)加工多個(gè)三維微納器件，還可以對(duì)任意復(fù)雜的三維微納器件進(jìn)行逐層加工，從而提高加工效率和工藝流量；此外，在進(jìn)行逐層微納加工的過(guò)程中，位移臺(tái)只需沿微納器件的截面厚度方向運(yùn)動(dòng)，這樣不僅可以提高加工效率和工藝流量，還可以降低其在平面二維方向的定位精度要求，從而使加工工藝簡(jiǎn)化，難度降低。
【專利說(shuō)明】-種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微納加工【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng) 及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展，伴隨產(chǎn)生的各種微納加工技術(shù)成為了現(xiàn)代科學(xué)技 術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容，在微機(jī)電系統(tǒng)、微光子學(xué)器件、精密特殊儀器、信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng) 域有著廣泛的應(yīng)用。
[0003] 近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，利用飛秒激光作為光源的雙光子吸收技術(shù)被引入 微納加工領(lǐng)域。該技術(shù)是利用較長(zhǎng)波長(zhǎng)的飛秒激光作為光源，通過(guò)聚焦物鏡將激光光束聚 焦在待加工的光敏材料上，在焦點(diǎn)處光敏材料通過(guò)雙光子吸收作用發(fā)生聚合反應(yīng)，而在光 路上其他地方由于激光強(qiáng)度較低，不發(fā)生雙光子吸收，同時(shí)由于激光的能量較低，相應(yīng)的單 光子吸收過(guò)程也不能發(fā)生，因此雙光子聚合作用只局限在焦點(diǎn)處。當(dāng)激光焦點(diǎn)在光敏材料 內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，光敏材料沿焦點(diǎn)軌跡發(fā)生固化，未固化的光敏材料被有機(jī)溶劑除去，從而可以 實(shí)現(xiàn)對(duì)光敏材料的微納加工。
[0004] 根據(jù)上述飛秒激光雙光子聚合微納加工的原理，利用該項(xiàng)技術(shù)在制作任意復(fù)雜的 三維微納結(jié)構(gòu)方面具有其特有的優(yōu)勢(shì)。這是由于一方面，光敏材料發(fā)生雙光子吸收具有閥 值效應(yīng)，發(fā)生效率與光強(qiáng)度的平方成正比；另一方面，入射激光只有在焦點(diǎn)處局部區(qū)域的光 強(qiáng)滿足材料發(fā)生雙光子吸收的閥值，光敏材料相對(duì)于光束其他位置透明，不發(fā)生吸收，因此 可以在光敏材料內(nèi)部任意位置實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)聚合，使飛秒激光雙光子聚合微納加工過(guò)程具有嚴(yán) 格的空間定位能力，從而可以制作任意復(fù)雜的三維微納結(jié)構(gòu)。
[0005] 早期采用飛秒激光雙光子聚合進(jìn)行微納加工是通過(guò)在光敏材料內(nèi)部逐點(diǎn)發(fā)生雙 光子聚合來(lái)形成三維微納結(jié)構(gòu)，因此，加工一個(gè)三維微納器件需要大量的點(diǎn)聚合過(guò)程，時(shí)間 較長(zhǎng)，加工效率低，且工藝流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，從而限制其在微納加工領(lǐng)域的 進(jìn)一步應(yīng)用。為解決上述問(wèn)題，各國(guó)研究人員提出多焦點(diǎn)并行加工的方法，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)并行 加工上百個(gè)微納結(jié)構(gòu)，使加工效率得到一定程度的提高。同時(shí)，國(guó)內(nèi)研究人員也在多焦點(diǎn)并 行加工技術(shù)方面做了很多研究，例如提出了通過(guò)多光束組合與控制將零部件加工制備與組 裝一次完成的方法，解決了微尺度組裝難題。
[0006] 然而，上述的多焦點(diǎn)并行加工方法比較適用于批量生產(chǎn)具有周期結(jié)構(gòu)的微納器 件，而對(duì)于批量生產(chǎn)任意復(fù)雜的三維微納器件仍然有很高難度。在加工過(guò)程中每束光的焦 點(diǎn)仍需按照預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，通常飛秒激光焦點(diǎn)與光敏材料的相對(duì)位移是通過(guò)控 制位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而位移臺(tái)慣性較大，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此，現(xiàn)有的多焦點(diǎn)并行加 工的方法對(duì)制作任意復(fù)雜的三維微納器件的加工效率提高有限，且在三維方向上均需要高 精度的機(jī)械定位能力，增加了加工難度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)及方法，以解決以 上【背景技術(shù)】部分提出的技術(shù)問(wèn)題。
[0008] 第一方面，本發(fā)明提供了一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包 括：
[0009] 飛秒激光器，用于產(chǎn)生飛秒激光；
[0010] 外光路調(diào)制單元，用于對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制；
[0011] 取像裝置，用于對(duì)三維微納器件的截面圖形逐層進(jìn)行取像，以使調(diào)制后的飛秒激 光形成按照所述各層截面圖形排列的并行光束；
[0012] 聚焦透鏡，用于將按照所述各層截面圖形排列的并行光束聚焦在光敏材料內(nèi)，形 成由多個(gè)焦點(diǎn)組成的平面圖像，各焦點(diǎn)處光敏材料發(fā)生固化，以實(shí)現(xiàn)所述三維微納器件的 每層截面結(jié)構(gòu)一次投影成形；
[0013] 位移臺(tái)，用于對(duì)放置在其上的所述光敏材料的位置進(jìn)行微動(dòng)調(diào)節(jié)；
[0014] 計(jì)算機(jī)，用于對(duì)所述位移臺(tái)和所述取像裝置進(jìn)行控制；
[0015] 監(jiān)控裝置，用于對(duì)所述光敏材料的微納加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0016] 第二方面，本發(fā)明還提供了一種飛秒激光雙光子聚合微納加工方法，采用上述第 一方面所述的飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，所述方法用于對(duì)光敏材料進(jìn)行逐 層微納加工，并通過(guò)監(jiān)控裝置對(duì)所述光敏材料的逐層微納加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所述方 法包括：
[0017] 打開飛秒激光器，產(chǎn)生飛秒激光；
[0018] 通過(guò)外光路調(diào)制單元對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制；
[0019] 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制取像裝置對(duì)三維微納器件的第一層截面圖形進(jìn)行取像，以使調(diào)制 后的飛秒激光形成按照所述第一層截面圖形排列的并行光束；
[0020] 通過(guò)聚焦透鏡將按照所述第一層截面圖形排列的并行光束聚焦在所述光敏材料 內(nèi)，形成由多個(gè)焦點(diǎn)組成的平面圖像，各焦點(diǎn)處光敏材料發(fā)生固化，以實(shí)現(xiàn)所述三維微納器 件的第一層截面結(jié)構(gòu)一次投影成形；
[0021] 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制位移臺(tái)移動(dòng)所述三維微納器件的一層截面厚度的距離，其中，所 述位移臺(tái)的移動(dòng)方向與所述飛秒激光照射所述光敏材料的方向平行；
[0022] 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述取像裝置對(duì)所述三維微納器件的剩余各層截面圖形逐層進(jìn) 行取像，每層截面結(jié)構(gòu)加工成形后，利用計(jì)算機(jī)控制所述位移臺(tái)移動(dòng)所述三維微納器件的 一層截面厚度的距離，直至整個(gè)三維微納器件加工完成。
[0023] 第三方面，本發(fā)明還提供了一種飛秒激光雙光子聚合微納加工方法，采用上述第 一方面所述的飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，所述方法用于對(duì)光敏材料進(jìn)行多 點(diǎn)并行微納加工以制得多個(gè)三維微納器件，并通過(guò)監(jiān)控裝置對(duì)所述光敏材料的多點(diǎn)并行微 納加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所述方法包括：
[0024] 打開飛秒激光器，產(chǎn)生飛秒激光；
[0025] 通過(guò)外光路調(diào)制單元對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制；
[0026] 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制取像裝置使調(diào)制后的一束飛秒激光變成多束并行的飛秒激光；
[0027] 通過(guò)聚焦透鏡將所述多束并行的飛秒激光聚焦在所述光敏材料內(nèi)，形成多個(gè)焦點(diǎn) 且在各焦點(diǎn)處光敏材料發(fā)生固化，以得到每個(gè)三維微納器件在第一點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)；
[0028] 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制位移臺(tái)按照預(yù)設(shè)軌跡移動(dòng)，對(duì)所述光敏材料進(jìn)行多點(diǎn)并行微納加 工，直至所有三維微納器件加工完成。
[0029] 本發(fā)明提供的飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)及方法，通過(guò)在飛秒激光進(jìn)行微 納加工的光路中，設(shè)置取像裝置，不僅可以將一束飛秒激光分成多束并行的飛秒激光，以實(shí) 現(xiàn)同時(shí)加工多個(gè)三維微納器件，還可以對(duì)所要制得的器件的每層截面圖形一次投影成形， 且每層截面圖形可以不同，這樣可以加工制得任意復(fù)雜的三維微納器件，從而大大提高加 工效率和工藝流量；此外，在進(jìn)行逐層微納加工的過(guò)程中，位移臺(tái)只需沿微納器件的截面厚 度方向運(yùn)動(dòng)，而不需要在平面二維方向上逐點(diǎn)移動(dòng)，這樣不僅可以使三維微納器件的每層 截面加工成形所需要的時(shí)間顯著減少，提高加工效率和工藝流量，還可以降低其在平面二 維方向的定位精度要求，使加工工藝簡(jiǎn)化，難度降低。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0030] 通過(guò)閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它 特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0031] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0032] 圖2a是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0033] 圖2b是本發(fā)明實(shí)施例二提供的另一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0034] 圖3a是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種用于同時(shí)加工4個(gè)微納器件的動(dòng)態(tài)取像裝置 的局部結(jié)構(gòu)不意圖；
[0035] 圖3b是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種用于加工L型器件的動(dòng)態(tài)取像裝置的局部結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0036] 圖3c是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種在光敏材料上制得的L型器件的一層截面的 結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例三提供的一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0038] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例四提供的一種飛秒激光雙光子聚合微納加工方法的流程示 意圖；
[0039] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例五提供的一種飛秒激光雙光子聚合微納加工方法的流程示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明?？梢岳斫獾氖?，此處所描 述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便 于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部?jī)?nèi)容。
[0041] 實(shí)施例一
[0042] 本發(fā)明實(shí)施例一提供一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)。圖1是本發(fā)明實(shí) 施例一提供的一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，所述飛 秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)包括：飛秒激光器11，用于產(chǎn)生飛秒激光；外光路調(diào)制單 元12,用于對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制；取像裝置13,用于對(duì)三維微納器件的截面圖形逐層 進(jìn)行取像，以使調(diào)制后的飛秒激光形成按照所述各層截面圖形排列的并行光束；聚焦透鏡 14,用于將按照所述各層截面圖形排列的并行光束分別聚焦在光敏材料15內(nèi)，形成由多個(gè) 焦點(diǎn)組成的平面圖形，焦點(diǎn)處光敏材料發(fā)生固化，以實(shí)現(xiàn)所述三維微納器件的每層截面結(jié) 構(gòu)一次投影成形；位移臺(tái)16,用于對(duì)放置在其上的所述光敏材料15的位置進(jìn)行微動(dòng)調(diào)節(jié)； 計(jì)算機(jī)17,用于對(duì)所述位移臺(tái)16和所述取像裝置13進(jìn)行控制；監(jiān)控裝置18,用于對(duì)所述光 敏材料15的微納加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0043] 需要說(shuō)明的是，可以在位移臺(tái)16上固定載玻片19,用于放置光敏材料15。另外， 監(jiān)控裝置18可以采用CO)(Charged Coupled Device,電荷f禹合器件）圖像傳感器作為核心 部件。此外，也可以在取像裝置13和聚焦透鏡14之間設(shè)置掃描陣鏡，由于掃描陣鏡的響應(yīng) 速度更快，可使加工速度進(jìn)一步提高。
[0044] 還需要說(shuō)明的是，上述的取像裝置13,通過(guò)計(jì)算機(jī)17的控制可在其上形成三維微 納器件的各層截面圖形，并將一束飛秒激光形成按照各層截面圖形排列的多束并行的飛秒 激光，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光敏材料進(jìn)行逐層微納加工，對(duì)應(yīng)地，位移臺(tái)16只需沿微納器件的截面厚 度方向運(yùn)動(dòng)。更為一般的情況，在取像裝置13上也可以不形成三維微納器件的各層截面圖 形，此時(shí)，取像裝置13可以只將一束飛秒激光分成多束并行的飛秒激光，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光敏 材料進(jìn)行多點(diǎn)并行微納加工以同時(shí)制得多個(gè)微納器件，對(duì)應(yīng)地，位移臺(tái)16需按照預(yù)設(shè)軌跡 移動(dòng)。其中，所述預(yù)設(shè)軌跡與所要制作的三維微納器件的各個(gè)加工點(diǎn)的分布有關(guān)。
[0045] 在本實(shí)施例中，進(jìn)一步地，所述外光路調(diào)制單元12包括但不限于在所述飛秒激光 的前進(jìn)路徑上依次排列的再生放大器121、快門122、衰減器123、準(zhǔn)直透鏡組124以及孔徑 光闌125。飛秒激光器11產(chǎn)生的飛秒激光為超短脈沖的激光，需經(jīng)過(guò)外光路調(diào)制單元12 對(duì)該飛秒激光進(jìn)行調(diào)制，才能夠?qū)饷舨牧?5進(jìn)行微納加工。本發(fā)明是多焦點(diǎn)并行逐層加 工，與單焦點(diǎn)逐點(diǎn)加工相比，需要飛秒激光的能量較大，因此需要再生放大器121將飛秒激 光的能量進(jìn)行放大；經(jīng)過(guò)能量放大的光束通過(guò)快門122控制其通斷狀態(tài)，然后通過(guò)衰減器 123調(diào)節(jié)其能量大小。利用衰減器123對(duì)光束能量的控制，可以調(diào)節(jié)每束光焦點(diǎn)處中心強(qiáng) 度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工分辨率的控制。然后再通過(guò)準(zhǔn)直透鏡組124,其中，準(zhǔn)直透鏡組124包括 一個(gè)短焦距透鏡124a和一個(gè)長(zhǎng)焦距透鏡124b。由于激光的能量在空間上呈高斯分布，激光 光束邊緣部分的光強(qiáng)比中心弱，為了減少由于光束截面上光強(qiáng)分布不均勻造成的取像截面 光強(qiáng)差異，需要利用準(zhǔn)直透鏡組124對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束，以使激光光束的中心區(qū)域的 光強(qiáng)度分布相對(duì)均勻。然后，再利用孔徑光闌125濾掉光束邊緣部分，得到截面光強(qiáng)分布近 似均勻的飛秒激光光束。
[0046] 需要說(shuō)明的是，除了上述的對(duì)飛秒激光起到調(diào)制作用的器件外，在飛秒激光的前 進(jìn)路徑上且在取像裝置13前，根據(jù)實(shí)際需要還可以設(shè)置其他的器件，例如為了使微納加工 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更緊湊，在飛秒激光的前進(jìn)路徑上且在孔徑光闌125的后面設(shè)置全反光鏡。 [0047] 本發(fā)明實(shí)施例一提供的飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)，通過(guò)在飛秒激光進(jìn) 行微納加工的光路中設(shè)置取像裝置，不僅可以將一束飛秒激光分成多束并行的飛秒激光， 以實(shí)現(xiàn)同時(shí)加工多個(gè)三維微納器件，還可以對(duì)所要制得的器件的每層截面圖形一次投影成 形，且每層截面圖形可以不同，這樣可以加工制得任意復(fù)雜的三維微納器件，從而大大提高 加工效率和工藝流量；此外，在進(jìn)行逐層微納加工的過(guò)程中，位移臺(tái)只需沿微納器件的截面 厚度方向運(yùn)動(dòng)，而不需要在平面二維方向上逐點(diǎn)移動(dòng)，這樣不僅可以使三維微納器件的每 層截面加工成形所需要的時(shí)間顯著減少，提高加工效率和工藝流量，還可以降低其在平面 二維方向的定位精度要求，使加工工藝簡(jiǎn)化，難度降低。
[0048] 基于上述原理，飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)可以有多種具體的實(shí)現(xiàn)方式， 例如，取像裝置可以為動(dòng)態(tài)取像裝置或者靜態(tài)取像裝置，并且，對(duì)于不同種類的取像裝置， 還可以選擇不同的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。只要能實(shí)現(xiàn)在飛秒激光的微納加工的過(guò)程中，取像裝置不 僅可以使一束飛秒激光分成多束并行的飛秒激光，而且還可以對(duì)所要制得的三維微納器件 的每層截面圖形一次投影成形即可，下面將就優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0049] 實(shí)施例二
[0050] 本發(fā)明實(shí)施例二還提供一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)。在實(shí)施例一的基 礎(chǔ)上，本實(shí)施例的取像裝置采用動(dòng)態(tài)取像裝置。
[0051] 在本實(shí)施例中，所述計(jì)算機(jī)17用于對(duì)所述取像裝置進(jìn)行控制，包括：所述計(jì)算機(jī) 用于對(duì)所述三維微納器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并將建模所得的模型轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)加載 到動(dòng)態(tài)取像裝置上，以在所述動(dòng)態(tài)取像裝置上形成所述三維微納器件的各層截面圖形。具 體地，計(jì)算機(jī)17可以通過(guò)在其中的軟件控制單元來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，對(duì)需加工的三維 微納器件建立三維模型，將建成的三維模型分割為多層截面圖形，然后再將每層截面圖形 逐點(diǎn)分解，并得到由多點(diǎn)組成的相應(yīng)層的截面圖形。然后，將計(jì)算機(jī)17設(shè)計(jì)出的三維微納 器件的每層截面圖形轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，加載到動(dòng)態(tài)取像裝置上，并在動(dòng)態(tài)取像裝置上 形成三維微納器件的各層截面圖形。需要說(shuō)明的是，上述軟件控制單元中的輔助設(shè)計(jì)軟件 可選現(xiàn)有的商用軟件，例如，CAD(Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)），其中CAD文 件可選用標(biāo)準(zhǔn)的STL文件格式。
[0052] 進(jìn)一步地，所述動(dòng)態(tài)取像裝置包括多個(gè)像素單元，其中，在計(jì)算機(jī)控制下處于打開 狀態(tài)的像素單元在所述動(dòng)態(tài)取像裝置上形成所述三維微納器件的各層截面圖形。
[0053] 更進(jìn)一步地，所述動(dòng)態(tài)取像裝置的每個(gè)像素單元在計(jì)算機(jī)控制下單獨(dú)開合，當(dāng)飛 秒激光照射在所述動(dòng)態(tài)取像裝置上時(shí)，處于打開狀態(tài)的像素單元反射或透射飛秒激光，將 一束飛秒激光分成按照特定形狀排列的多束飛秒激光以進(jìn)行微納加工。
[0054] 具體地，將計(jì)算機(jī)的軟件控制單元設(shè)計(jì)的三維微納器件模型的第一層截面圖形轉(zhuǎn) 化成數(shù)字電壓信號(hào)，然后將數(shù)字電壓信號(hào)加載在動(dòng)態(tài)取像裝置上，每個(gè)信號(hào)控制一個(gè)像素 單元。當(dāng)飛秒激光照射在動(dòng)態(tài)取像裝置上時(shí)，通過(guò)數(shù)字電壓信號(hào)控制每個(gè)像素單元的開合， 可形成按照所述第一截面圖形排列的多束透射或反射光束，并加工形成器件的第一層截面 結(jié)構(gòu)；再將器件模型的第二層截面圖形轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)，并加載到動(dòng)態(tài)取像裝置上，可 形成按照所述第二截面圖形排列的多束透射或反射光束，并加工形成器件的第二層截面結(jié) 構(gòu)，依次進(jìn)行，最終可通過(guò)逐層聚合作用得到完整的三維微納器件。
[0055] 在本實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)取像裝置可以采用液晶顯示器（Liquid Crystal Display,簡(jiǎn) 稱LCD)或數(shù)字光處理裝置（Digital Light Procession，簡(jiǎn)稱DLP)，其中，液晶顯示器和數(shù) 字光處理裝置皆屬于空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator,簡(jiǎn)稱SLM)。
[0056] 接下來(lái)就對(duì)動(dòng)態(tài)取像裝置分別采用液晶顯示器和數(shù)字光處理裝置時(shí)如何實(shí)現(xiàn)將 一束飛秒激光分成多束飛秒激光做進(jìn)一步地說(shuō)明。
[0057] 圖2a是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖。在圖2a中，采用液晶顯示器131作為動(dòng)態(tài)取像裝置，并且為了使整個(gè)微納加工系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)更緊湊，在飛秒激光的前進(jìn)路徑上且在孔徑光闌125和液晶顯示器131之間設(shè)置了 全反射鏡21。具體地，液晶顯示器131的每個(gè)像素單元由裝有液晶材料的盒子構(gòu)成，每個(gè)像 素單元可在計(jì)算機(jī)17控制下單獨(dú)開合。當(dāng)飛秒激光光源照射在液晶顯示器131上時(shí)，液晶 顯示器131上開啟的像素單元可透過(guò)飛秒激光，閉合的像素單元?jiǎng)t不透過(guò)光束。通過(guò)控制 每一個(gè)液晶盒（像素單元）的開合狀態(tài)，可以形成多束可控的透射光束，經(jīng)聚焦后在光敏材 料內(nèi)部形成由多個(gè)焦點(diǎn)組成的平面圖形，焦點(diǎn)處的光敏材料發(fā)生雙光子聚合，形成具有特 定形狀的一層截面結(jié)構(gòu)。
[0058] 圖2b是本發(fā)明實(shí)施例二提供的另一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖。在圖2b中，采用數(shù)字光處理裝置132作為動(dòng)態(tài)取像裝置。具體地，數(shù)字光處理裝 置132的核心部件為數(shù)字微反射鏡器件，數(shù)字微反射鏡器件由成千上萬(wàn)個(gè)微小可傾斜的鏡 片組成，一個(gè)鏡片為一個(gè)像素單元，每個(gè)鏡片可向±12°兩個(gè)角度傾斜，將入射光從兩個(gè)方 向上反射出去。每個(gè)像素單元可在計(jì)算機(jī)17控制下單獨(dú)開合，當(dāng)飛秒激光光源照射在數(shù)字 微反射鏡器件上時(shí)，處于"開啟"狀態(tài)的鏡片將入射光反射到加工光路內(nèi)參加加工過(guò)程，處 于"關(guān)閉"狀態(tài)的鏡片將入射光反射出加工光路以外，被光吸收器吸收。通過(guò)控制每一個(gè)鏡 片的開合狀態(tài)，可以形成多束可控的反射光束，經(jīng)聚焦后在光敏材料內(nèi)部形成由多個(gè)焦點(diǎn) 組成的平面圖形，焦點(diǎn)處的光敏材料發(fā)生雙光子聚合，形成具有特定形狀的一層截面結(jié)構(gòu)。
[0059] 接下來(lái)，首先考慮動(dòng)態(tài)取像裝置只是將一束飛秒激光分成多束并行的飛秒激光。 圖3a是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種用于同時(shí)加工4個(gè)微納器件的動(dòng)態(tài)取像裝置的局部結(jié) 構(gòu)示意圖。參見圖3a，動(dòng)態(tài)取像裝置（可以為液晶顯示面板或者數(shù)字微反射鏡器件）的局 部結(jié)構(gòu)中，每個(gè)正方形區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)像素單元22,每個(gè)像素單元22可通過(guò)計(jì)算機(jī)17控制單獨(dú) 開合。首先可根據(jù)加工要求對(duì)動(dòng)態(tài)取像裝置進(jìn)行控制，帶陰影的像素單元221表示該像素 單元處于關(guān)閉狀態(tài)，未帶陰影的像素單元222表示該像素單元處于開啟狀態(tài)。
[0060] 具體地，在進(jìn)行微納加工時(shí)，飛秒激光首先經(jīng)過(guò)外光路調(diào)制單元12調(diào)制后，照射 在動(dòng)態(tài)取像裝置上時(shí)，只有處于開啟狀態(tài)的像素單元222可透過(guò)或反射飛秒激光，形成4束 并行光束，每一束飛秒激光由4個(gè)處于開啟狀態(tài)的像素單元222透射或者反射的光束組成。 經(jīng)聚焦透鏡14聚焦后在光敏材料15內(nèi)部形成4個(gè)光斑，光斑處光敏材料發(fā)生雙光子聚合 作用。通過(guò)計(jì)算機(jī)17控制位移臺(tái)16按照預(yù)設(shè)軌跡移動(dòng)，可同時(shí)并行加工4個(gè)微納器件，整 個(gè)加工過(guò)程可通過(guò)監(jiān)控裝置18進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。也可在動(dòng)態(tài)取像裝置和聚焦透鏡14中間設(shè) 置掃描陣鏡，利用掃描陣鏡將飛秒激光投影到光敏材料15內(nèi)，由于掃描陣鏡的響應(yīng)速度更 快，可使加工速度進(jìn)一步提1?。
[0061] 需要說(shuō)明的是，一束飛秒激光可以由多個(gè)處于開啟狀態(tài)的像素單元222透射或反 射，其中，多個(gè)處于開啟狀態(tài)的像素單元222所具有的形狀可以為正方形，也可以為長(zhǎng)方 形。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)加工要求，通過(guò)選取具有不同分辨率的動(dòng)態(tài)取像裝置以及靈 活控制其中的每個(gè)像素單元的開合狀態(tài)，可控制并行光束的數(shù)量、強(qiáng)度、形狀、間距及分布 情況，從而控制并行加工的器件個(gè)數(shù)、最小加工尺寸、間距及分布情況，不僅使加工速度大 大提高，并且具有很強(qiáng)的工藝靈活性。同時(shí)，由于每個(gè)像素單元開合切換速度非?？?，僅為 數(shù)微秒，有助于進(jìn)一步提高加工速度和靈活控制曝光時(shí)間，從而提高加工分辨率。作為動(dòng)態(tài) 取像裝置的液晶顯示裝置或數(shù)字光處理裝置的像素單元可達(dá)到上百萬(wàn)個(gè)，因此可以很容易 實(shí)現(xiàn)成千上萬(wàn)束光斑，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模并行曝光，同時(shí)加工成千上萬(wàn)個(gè)微納器件。
[0062] 接下來(lái)，進(jìn)一步地考慮使用動(dòng)態(tài)取像裝置來(lái)進(jìn)行逐層微納加工。圖3b是本發(fā)明實(shí) 施例二提供的一種用于加工L形器件的動(dòng)態(tài)取像裝置的局部結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖3b，與圖 3a中相同的是，每個(gè)正方形區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)像素單元22,每個(gè)像素單元22可通過(guò)計(jì)算機(jī)17控 制單獨(dú)開合。首先可根據(jù)加工要求對(duì)作為動(dòng)態(tài)取像裝置的空間調(diào)制器進(jìn)行控制，帶陰影的 像素單元221表示該像素單元處于關(guān)閉狀態(tài)，未帶陰影的像素單元222表示該像素單元處 于開啟狀態(tài)。此外，在圖3b中，處于開啟狀態(tài)的像素單元222構(gòu)成了 L形器件的圖形。
[0063] 具體地，在進(jìn)行微納加工時(shí)，飛秒激光首先經(jīng)過(guò)外光路調(diào)制單元12調(diào)制后，照射 在動(dòng)態(tài)取像裝置上時(shí)，只有處于開啟狀態(tài)的像素單元222可透過(guò)或反射飛秒激光。經(jīng)聚焦 透鏡14聚焦后在光敏材料15內(nèi)部形成由多個(gè)光斑組成的L形平面圖形，光斑處光敏材料 15發(fā)生雙光子聚合作用，聚合點(diǎn)組成器件的一層截面結(jié)構(gòu)，如圖3c所示的L型器件的一層 截面圖形23。然后通過(guò)計(jì)算機(jī)17控制動(dòng)態(tài)取像裝置中的各個(gè)像素單元22的開合時(shí)間，可 以靈活控制曝光時(shí)間，提高加工精度。利用計(jì)算機(jī)17控制位移臺(tái)16沿與所述飛秒激光照 射所述光敏材料15的方向平行的方向（在圖2a和圖2b中為縱向）上每次移動(dòng)一層截面 厚度的距離，通過(guò)逐層加工最終可以得到一個(gè)完整的微納器件，且整個(gè)加工過(guò)程可通過(guò)監(jiān) 控裝置18進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0064] 傳統(tǒng)雙光子聚合微納加工采用單光束逐點(diǎn)加工的方式，加工同樣的L型器件的一 層截面部件需要的時(shí)間為各點(diǎn)加工時(shí)間總和，而采用本發(fā)明的逐層加工的方式，一層截面 部件的各點(diǎn)可以同時(shí)加工，加工每層截面所需時(shí)間與傳統(tǒng)方式加工一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間相當(dāng)，力口 工速度顯著提高。每層截面加工時(shí)間與動(dòng)態(tài)取像裝置響應(yīng)時(shí)間、光敏材料曝光時(shí)間有關(guān)，每 個(gè)像素單元開合切換速度非?？欤虼丝删_控制曝光時(shí)間，有助于提高加工分辨率。此 夕卜，通過(guò)采用動(dòng)態(tài)取像裝置作為取像裝置，可以靈活地控制其上的每個(gè)像素單元的開合狀 態(tài)，以形成任意復(fù)雜圖形；并且利用動(dòng)態(tài)取像裝置可以將器件的一層截面一次加工完成，每 層截面圖形可為任意復(fù)雜圖形，這樣通過(guò)逐層加工，可以將任意復(fù)雜的三維微納結(jié)構(gòu)快速、 靈活的加工出來(lái)。
[0065] 需要說(shuō)明的是，上述的一個(gè)處于開啟狀態(tài)的像素單元222透射或反射的光束為最 小光束，像素單元的大小決定最小加工尺寸的大小。因此，光束經(jīng)聚焦后，實(shí)際在光敏材料 15內(nèi)的最小書寫單元為像素單元的尺寸除以縮小倍數(shù)，其中，縮小倍數(shù)取決于所選的聚焦 透鏡。
[0066] 此外，動(dòng)態(tài)取像裝置可選用市場(chǎng)上現(xiàn)有的液晶顯示裝置或數(shù)字光處理裝置，也可 以根據(jù)需要加工的最小尺寸定制，動(dòng)態(tài)取像裝置的像素單元尺寸越小，透射或反射的飛秒 激光光速越細(xì)，加工分辨率就越高。
[0067] 實(shí)施例三
[0068] 本發(fā)明實(shí)施例三還提供一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)。與實(shí)施例二不同 的是，本實(shí)施例的取像裝置采用靜態(tài)取像裝置。
[0069] 進(jìn)一步地，靜態(tài)取像裝置可以采用掩模板。圖4是本發(fā)明實(shí)施例三提供的一種飛 秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，靜態(tài)取像裝置采用掩模板 133,并且為了使整個(gè)微納加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更緊湊，在飛秒激光的前進(jìn)路徑上且在孔徑光闌 125和掩模板133取像裝置13之間設(shè)置了全反射鏡21。
[0070] 在本實(shí)施例中，優(yōu)選地，所述掩模板133包括多個(gè)微區(qū)，每個(gè)微區(qū)包含所述三維微 納器件的一層截面圖形。需要說(shuō)明的是，每個(gè)微區(qū)的尺寸可以為微器件各層截面實(shí)際尺寸 的倍數(shù)，具體倍數(shù)取決于所采用的聚焦透鏡的聚焦倍數(shù)。
[0071] 在本實(shí)施例中，進(jìn)一步地，所述計(jì)算機(jī)17用于對(duì)所述取像裝置進(jìn)行控制，包括：所 述計(jì)算機(jī)17用于在微納加工過(guò)程中對(duì)所述掩膜板133的位置進(jìn)行微動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述 三維微納器件的各層截面圖形的取像。
[0072] 需要說(shuō)明的是，在掩模板133上形成三維微納器件的截面圖形與動(dòng)態(tài)取像裝置的 不同，具體可以為：根據(jù)計(jì)算機(jī)17設(shè)計(jì)的三維微納器件的每層截面圖形，制作掩模板133。 掩模板133可以選用對(duì)飛秒激光光源具有高透過(guò)率的玻璃板，在玻璃板表面分區(qū)制作器件 的每層截面圖形。在每個(gè)微區(qū)內(nèi)，利用微納加工技術(shù)（如蒸鍍或?yàn)R射、光刻、濕法刻蝕等） 在玻璃表面制作金屬圖形，覆蓋金屬的區(qū)域不透過(guò)飛秒激光，未覆蓋金屬的區(qū)域則可透過(guò) 飛秒激光。每個(gè)透光區(qū)域與器件的每層截面圖形上各點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，面積為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)倍，具體 擴(kuò)大倍數(shù)根據(jù)聚焦透鏡的聚焦倍數(shù)確定。同時(shí)在玻璃表面每個(gè)微區(qū)內(nèi)制作對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，用于 對(duì)每個(gè)微區(qū)進(jìn)行定位。
[0073] 下面對(duì)采用掩模板作為取像裝置進(jìn)行微納加工來(lái)做進(jìn)一步地描述。在進(jìn)行微納 加工時(shí)，飛秒激光首先經(jīng)過(guò)外光路調(diào)制單元12調(diào)制后，照射在作為靜態(tài)取像裝置的掩膜板 133上。由于掩模板133與計(jì)算機(jī)17相連，利用計(jì)算機(jī)17調(diào)節(jié)掩模板133,使飛秒激光對(duì) 準(zhǔn)掩模板133上與器件第一層截面圖形相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，光束透過(guò)透光區(qū)域在掩膜板133的 另一側(cè)空間形成多束光，經(jīng)聚焦透鏡14聚焦后在光敏材料15內(nèi)部形成由多個(gè)焦點(diǎn)組成的 平面圖形，在焦點(diǎn)處的光敏材料15發(fā)生雙光子聚合作用，發(fā)生固化，多個(gè)固化點(diǎn)構(gòu)成器件 的第一層截面結(jié)構(gòu)。然后通過(guò)計(jì)算機(jī)17控制位移臺(tái)16在縱向上移動(dòng)（在圖4中）一層厚 度的距離，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)17調(diào)節(jié)掩模板133的位置，使飛秒激光對(duì)準(zhǔn)掩模板133上與器 件的第二層截面圖形相對(duì)應(yīng)的微區(qū)，加工形成器件的第二層截面結(jié)構(gòu)。依次下去，最終可通 過(guò)逐層聚合作用得到完整的三維微納器件，整個(gè)加工過(guò)程可通過(guò)監(jiān)控裝置18實(shí)時(shí)觀察。
[0074] 需要說(shuō)明的是，上述是采用掩膜板133進(jìn)行逐層微納加工。此外，也可以采用掩膜 板133進(jìn)行多點(diǎn)并行微納加工，同時(shí)加工多個(gè)三維微納器件。在此情況下，掩膜板133的每 個(gè)微區(qū)設(shè)置有多個(gè)透光區(qū)域，每個(gè)微區(qū)與每個(gè)要制作的三維微納器件對(duì)應(yīng)。在進(jìn)行微納加 工時(shí)，飛秒激光首先經(jīng)過(guò)外光路調(diào)制單元12調(diào)制后，照射在掩膜板133上，通過(guò)透射形成多 束并行光束，每一束飛秒激光由每個(gè)微區(qū)中的透光區(qū)域透射的光束組成。經(jīng)聚焦透鏡14聚 焦后在光敏材料15內(nèi)部形成多個(gè)光斑，光斑處光敏材料發(fā)生雙光子聚合作用。通過(guò)計(jì)算機(jī) 17控制位移臺(tái)16按照預(yù)設(shè)軌跡移動(dòng)，可同時(shí)并行加工多個(gè)微納器件，整個(gè)加工過(guò)程可通過(guò) 監(jiān)控裝置18進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0075] 隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)掩模板的制作技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步，利用各種光 刻技術(shù)，可以很容易在玻璃基板表面制作各種圖形，且制作成本較低。
[0076] 在本實(shí)施例的技術(shù)方案中，利用作為靜態(tài)取像裝置的掩模板對(duì)器件的每層截面一 次取像成形，使加工效率顯著提高；同時(shí)掩模板制作工藝成熟，微區(qū)內(nèi)每個(gè)透光區(qū)域可以做 到零間隔，因此，利用掩模板進(jìn)行取像可以加工得到平滑的三維微納器件的結(jié)構(gòu)。
[0077] 實(shí)施例四
[0078] 本發(fā)明實(shí)施例四提供一種飛秒激光雙光子聚合微納加工方法。本實(shí)施例的飛秒激 光雙光子聚合微納加工方法通過(guò)上述各實(shí)施例所述的飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng) 來(lái)執(zhí)行，關(guān)于本實(shí)施例中概念的解釋說(shuō)明以及相關(guān)原理的描述，請(qǐng)參見上述各實(shí)施例，在此 不再贅述。
[0079] 本實(shí)施例所述的飛秒激光雙光子聚合微納加工方法用于對(duì)光敏材料進(jìn)行逐層微 納加工，并通過(guò)監(jiān)控裝置對(duì)所述光敏材料的逐層微納加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖5是本發(fā) 明實(shí)施例四提供的一種飛秒激光雙光子聚合微納加工方法的流程示意圖。如圖5所示，所 述飛秒激光雙光子聚合微納加工方法包括：
[0080] 步驟301、打開飛秒激光器，產(chǎn)生飛秒激光。
[0081] 步驟302、通過(guò)外光路調(diào)制單元對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制。
[0082] 進(jìn)一步地，通過(guò)外光路調(diào)制單元對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制，包括：通過(guò)在外光路調(diào) 制單元中的且在所述飛秒激光的前進(jìn)路徑上依次排列的再生放大器、快門、衰減器、準(zhǔn)直透 鏡組以及孔徑光闌對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制。
[0083] 步驟303、通過(guò)計(jì)算機(jī)控制取像裝置對(duì)三維微納器件的第一層截面圖形進(jìn)行取像， 以使調(diào)制后的飛秒激光形成按照所述各層截面圖形排列的并行光束。
[0084] 步驟304、通過(guò)聚焦透鏡將按照所述第一層截面圖形排列的并行光束聚焦在所述 光敏材料內(nèi)，形成由多個(gè)焦點(diǎn)組成的平面圖形，各焦點(diǎn)處光敏材料發(fā)生固化，以實(shí)現(xiàn)所述三 維微納器件的第一層截面結(jié)構(gòu)一次投影成形。
[0085] 步驟305、通過(guò)計(jì)算機(jī)控制位移臺(tái)移動(dòng)所述三維微納器件一層截面厚度的距離，其 中，所述位移臺(tái)的移動(dòng)方向與所述飛秒激光照射所述光敏材料的方向平行。
[0086] 步驟306、通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述取像裝置對(duì)所述三維微納器件的剩余各層截面圖 形逐層進(jìn)行取像，每層截面結(jié)構(gòu)加工成形后，利用計(jì)算機(jī)控制所述位移臺(tái)移動(dòng)所述三維微 納器件的一層截面厚度的距離，直至整個(gè)三維微納器件加工完成。
[0087] 進(jìn)一步地，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制取像裝置對(duì)三維微納器件的各層截面圖形進(jìn)行取像， 包括：當(dāng)所述取像裝置采用動(dòng)態(tài)取像裝置時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)所述三維微納器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行 建模，并將建模所得的模型轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)加載到動(dòng)態(tài)取像裝置上，控制所述動(dòng)態(tài)取 像裝置中的像素單元的開合狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述三維微納器件的各層截面圖形的取像；或 者當(dāng)所述取像裝置采用包含所述三維微納器件的各層截面圖形的靜態(tài)取像裝置時(shí)，通過(guò)計(jì) 算機(jī)在微納加工過(guò)程中對(duì)所述靜態(tài)取像裝置的位置進(jìn)行微動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述三維微納 器件的各層截面圖形的取像。
[0088] 本發(fā)明實(shí)施例四提供的飛秒激光雙光子聚合微納加工方法，通過(guò)在飛秒激光的微 納加工的光路中設(shè)置取像裝置，可以對(duì)所要制得的器件的每層截面圖形一次投影成形，且 每層截面圖形可以不同，這樣可以加工制得任意復(fù)雜的三維微納器件，從而大大提高加工 效率和工藝流量；此外，在進(jìn)行逐層微納加工的過(guò)程中，位移臺(tái)只需沿微納器件的截面厚度 方向運(yùn)動(dòng)，而不需要在平面二維方向上逐點(diǎn)移動(dòng)，這樣不僅可以使三維微納器件的每層截 面加工成形所需要的時(shí)間顯著減少，從而提高加工效率和工藝流量，還可以降低其在平面 二維方向的定位精度要求，從而使加工工藝簡(jiǎn)化，難度降低。
[0089] 實(shí)施例五
[0090] 本發(fā)明實(shí)施例五提供一種飛秒激光雙光子聚合微納加工方法。本實(shí)施例的飛秒激 光雙光子聚合微納加工方法通過(guò)上述實(shí)施例一、實(shí)施例二和實(shí)施例三所述的飛秒激光雙光 子聚合微納加工系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，關(guān)于本實(shí)施例中概念的解釋說(shuō)明以及相關(guān)原理的描述，請(qǐng)參 見上述實(shí)施例一、實(shí)施例二和實(shí)施例三，在此不再贅述。
[0091] 本實(shí)施例所述的飛秒激光雙光子聚合微納加工方法用于對(duì)光敏材料進(jìn)行多點(diǎn)并 行微納加工以制得多個(gè)三維微納器件，并通過(guò)監(jiān)控裝置對(duì)所述光敏材料的多點(diǎn)并行微納加 工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例與實(shí)施例五不同的是，實(shí)施例五是采用取像 裝置對(duì)光敏材料進(jìn)行逐層微納加工，而本實(shí)施例是采用取像裝置對(duì)光敏材料進(jìn)行多點(diǎn)并行 微納加工。圖6是本發(fā)明實(shí)施例五提供的一種飛秒激光雙光子聚合微納加工方法的流程示 意圖。如圖6所示，所述飛秒激光雙光子聚合微納加工方法包括：
[0092] 步驟401、打開飛秒激光器，產(chǎn)生飛秒激光。
[0093] 步驟402、通過(guò)外光路調(diào)制單元對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制。
[0094] 步驟403、通過(guò)計(jì)算機(jī)控制取像裝置使調(diào)制后的一束飛秒激光分成多束并行的飛 秒激光。
[0095] 步驟404、通過(guò)聚焦透鏡將所述多束并行的飛秒激光聚焦在所述光敏材料內(nèi)，形成 多個(gè)焦點(diǎn)且在各焦點(diǎn)處光敏材料發(fā)生固化，以得到每個(gè)三維微納器件在第一點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)。 [0096] 步驟405、通過(guò)計(jì)算機(jī)控制位移臺(tái)按照預(yù)設(shè)軌跡移動(dòng)，對(duì)所述光敏材料進(jìn)行多點(diǎn)并 行微納加工，直至所有三維微納器件加工完成。
[0097] 在本實(shí)施例中，優(yōu)選為取像裝置為動(dòng)態(tài)取像裝置。采用動(dòng)態(tài)取像裝置進(jìn)行微納加 工，不僅使加工速度大大提高，并且具有很強(qiáng)的工藝靈活性。同時(shí)，由于動(dòng)態(tài)取像裝置中的 每個(gè)像素單元開合切換速度非?？?，僅為數(shù)微秒，有助于進(jìn)一步提高加工速度和靈活控制 曝光時(shí)間，從而提高加工分辨率。
[0098] 本發(fā)明實(shí)施例五提供的飛秒激光雙光子聚合微納加工方法，通過(guò)在飛秒激光的微 納加工的光路中設(shè)置取像裝置，可以將一束飛秒激光分成多束并行的飛秒激光，可以同時(shí) 加工多個(gè)三維微納器件，這樣可以大大提高加工效率和工藝流量。
[0099] 注意，上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解， 本發(fā)明不限于這里所述的特定實(shí)施例，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)能夠進(jìn)行各種明顯的變化、 重新調(diào)整和替代而不會(huì)脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，雖然通過(guò)以上實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行 了較為詳細(xì)的說(shuō)明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還 可以包括更多其他等效實(shí)施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。
【權(quán)利要求】
1. 一種飛秒激光雙光子聚合微納加工系統(tǒng)，其特征在于，包括： 飛秒激光器，用于產(chǎn)生飛秒激光； 外光路調(diào)制單元，用于對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制； 取像裝置，用于對(duì)三維微納器件的截面圖形逐層進(jìn)行取像，以使調(diào)制后的飛秒激光形 成按照所述各層截面圖形排列的并行光束； 聚焦透鏡，用于將按照所述各層截面圖形排列的并行光束聚焦在光敏材料內(nèi)，形成由 多個(gè)焦點(diǎn)組成的平面圖像，各焦點(diǎn)處光敏材料發(fā)生固化，以實(shí)現(xiàn)所述三維微納器件的每層 截面結(jié)構(gòu)一次投影成形； 位移臺(tái)，用于對(duì)放置在其上的所述光敏材料的位置進(jìn)行微動(dòng)調(diào)節(jié)； 計(jì)算機(jī)，用于對(duì)所述位移臺(tái)和所述取像裝置進(jìn)行控制； 監(jiān)控裝置，用于對(duì)所述光敏材料的微納加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述取像裝置為動(dòng)態(tài)取像裝置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)取像裝置為液晶顯示器或數(shù)字 光處理裝置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)用于對(duì)所述取像裝置進(jìn)行控 制，包括：所述計(jì)算機(jī)用于對(duì)所述三維微納器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并將建模所得的模型轉(zhuǎn)換 成數(shù)字電壓信號(hào)加載到動(dòng)態(tài)取像裝置上，以在所述動(dòng)態(tài)取像裝置上形成所述三維微納器件 的各層截面圖形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)取像裝置包括多個(gè)像素單元，其 中，在計(jì)算機(jī)控制下處于打開狀態(tài)的像素單元在所述動(dòng)態(tài)取像裝置上形成所述三維微納器 件的各層截面圖形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)取像裝置的每個(gè)像素單元在計(jì) 算機(jī)控制下單獨(dú)開合，當(dāng)飛秒激光照射在所述動(dòng)態(tài)取像裝置上時(shí)，處于打開狀態(tài)的像素單 元反射或透射飛秒激光，將一束飛秒激光分成按照特定形狀排列的多束飛秒激光以進(jìn)行微 納加工。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述取像裝置為靜態(tài)取像裝置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述靜態(tài)取像裝置為掩模板。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述掩模板包括多個(gè)微區(qū)，每個(gè)微區(qū)包含 所述三維微納器件的一層截面圖形。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)用于對(duì)所述取像裝置進(jìn)行控 制，包括：所述計(jì)算機(jī)用于在微納加工過(guò)程中對(duì)所述掩膜板的位置進(jìn)行微動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì) 所述三維微納器件的各層截面圖形的取像。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外光路調(diào)制單元包括在所述飛秒激 光的前進(jìn)路徑上依次排列的再生放大器、快門、衰減器、準(zhǔn)直透鏡組以及孔徑光闌。
12. -種飛秒激光雙光子聚合微納加工方法，采用權(quán)利要求1所述的飛秒激光雙光子 聚合微納加工系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，其特征在于，所述方法用于對(duì)光敏材料進(jìn)行逐層微納加工，并通 過(guò)監(jiān)控裝置對(duì)所述光敏材料的逐層微納加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所述方法包括： 打開飛秒激光器，產(chǎn)生飛秒激光； 通過(guò)外光路調(diào)制單元對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制； 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制取像裝置對(duì)三維微納器件的第一層截面圖形進(jìn)行取像，以使調(diào)制后的 飛秒激光形成按照所述第一層截面圖形排列的并行光束； 通過(guò)聚焦透鏡將按照所述第一層截面圖形排列的并行光束聚焦在所述光敏材料內(nèi)，形 成由多個(gè)焦點(diǎn)組成的平面圖像，各焦點(diǎn)處光敏材料發(fā)生固化，以實(shí)現(xiàn)所述三維微納器件的 第一層截面結(jié)構(gòu)一次投影成形； 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制位移臺(tái)移動(dòng)所述三維微納器件的一層截面厚度的距離，其中，所述位 移臺(tái)的移動(dòng)方向與所述飛秒激光照射所述光敏材料的方向平行； 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述取像裝置對(duì)所述三維微納器件的剩余各層截面圖形逐層進(jìn)行取 像，每層截面結(jié)構(gòu)加工成形后，利用計(jì)算機(jī)控制所述位移臺(tái)移動(dòng)所述三維微納器件的一層 截面厚度的距離，直至整個(gè)三維微納器件加工完成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制取像裝置對(duì)三維微納 器件的各層截面圖形進(jìn)行取像，包括： 當(dāng)所述取像裝置采用動(dòng)態(tài)取像裝置時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)所述三維微納器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建 模，并將建模所得的模型轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)加載到動(dòng)態(tài)取像裝置上，控制所述動(dòng)態(tài)取像 裝置中的像素單元的開合狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述三維微納器件的各層截面圖形的取像；或者 當(dāng)所述取像裝置采用包含所述三維微納器件的各層截面圖形的靜態(tài)取像裝置時(shí)，通過(guò) 計(jì)算機(jī)在微納加工過(guò)程中對(duì)所述靜態(tài)取像裝置的位置進(jìn)行微動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述三維微 納器件的各層截面圖形的取像。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，通過(guò)外光路調(diào)制單元對(duì)所述飛秒激光 進(jìn)行調(diào)制，包括： 通過(guò)在外光路調(diào)制單元中的且在所述飛秒激光的前進(jìn)路徑上依次排列的再生放大器、 快門、衰減器、準(zhǔn)直透鏡組以及孔徑光闌對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制。
15. -種飛秒激光雙光子聚合微納加工方法，采用權(quán)利要求1所述的飛秒激光雙光子 聚合微納加工系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，其特征在于，所述方法用于對(duì)光敏材料進(jìn)行多點(diǎn)并行微納加工 以制得多個(gè)三維微納器件，并通過(guò)監(jiān)控裝置對(duì)所述光敏材料的多點(diǎn)并行微納加工過(guò)程進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)控，所述方法包括： 打開飛秒激光器，產(chǎn)生飛秒激光； 通過(guò)外光路調(diào)制單元對(duì)所述飛秒激光進(jìn)行調(diào)制； 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制取像裝置使調(diào)制后的一束飛秒激光分成多束并行的飛秒激光； 通過(guò)聚焦透鏡將所述多束并行的飛秒激光聚焦在所述光敏材料內(nèi)，形成多個(gè)焦點(diǎn)且在 各焦點(diǎn)處光敏材料發(fā)生固化，以得到每個(gè)三維微納器件在第一點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)； 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制位移臺(tái)按照預(yù)設(shè)軌跡移動(dòng)，對(duì)所述光敏材料進(jìn)行多點(diǎn)并行微納加工， 直至所有三維微納器件加工完成。
【文檔編號(hào)】G03F7/20GK104155851SQ201410375257
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月1日
【發(fā)明者】程鑫, 崔德虎, 李自平, 明靜 申請(qǐng)人:南方科技大學(xué)