“前沿激光制造”-高速并行的双光子激光直写技术

研究背景

双光子激光直写是一种新兴的微纳加工手段。该技术利用飞秒激光使光刻胶在激光焦点位置发生双光子聚合，特征尺寸可达百纳米级，结合压电位移台或激光扫描器件可实现高精度任意三维结构制备。目前，该技术已被广泛应用在微纳光学、材料、生命科学、微流控、微机械、集成光学等多个重要领域。

多光束并行刻写技术可有效提升刻写速度，是双光子激光直写技术进一步提升与发展的重要途经，有望实现高精度、大尺寸结构的高速加工。然而目前的并行刻写技术在产生方式、刻写策略以及拼接精度方面还有不少问题，需要不断完善与改进。

创新工作

为了有效提升双光子激光直写的直写速度，之江实验室智能芯片与器件研究中心刘旭教授、匡翠方教授团队设计并验证了一种基于转镜的多光束并行刻写系统。如图1所示，该系统利用空间光调制器（SLM）生成多光束，再通过多通道声光调制器（AOMC）对多光束的每束光进行独立调制。同时，使用多面体转镜代替传统振镜，结合高速空气轴承位移台与压电位移台，实现高速3D扫描。

图1 基于转镜扫描的多光束并行双光子激光直写系统。（a）实验装置图；（b）光路图

经过测试，该系统实现了单通道7.77 m/s的扫描速度，最多可实现6通道同步并行刻写，等效最高速度达46.62 m/s。图2（a）展示了该系统的特征尺寸。由图可知，随着激光功率从35 mW降至18 mW，线宽从260 nm级降至80 nm级；但在150 nm以后，图形开始从线条变成点阵。因为在高转速下，物镜焦平面的直写速度接近8 m/s，此时相邻两个脉冲的间隔约100 nm，无法有效填充从而形成点阵。因此，本系统的特征尺寸约150 nm，使用更高重频激光器或低转速降低脉冲间隔可获得更小的特征尺寸。

图2（b）展示了六通道同步刻写，测试中每个通道的图案独立调控，当第一行文字完成时，第六行文字也同步刻写完成，有效提高了刻写效率。

图2（c）是组内近期的一项新成果，实现了20 mm级大尺寸光栅结构的刻写，该光栅线宽500 nm，周期1000 nm。该光栅刻写用时约70 min，平均刻写速度达到5.7 mm2/min。

图 2系统部分刻写结果展示。（a）特征尺寸；（b）多通道编程刻写；（c）大面积光栅刻写

总结与展望

研究采用SLM产生多光束，结合AOMC与转镜扫描实现了最高7.77 m/s的直线刻写速度。目前在刻写策略方面仍有较大提升空间，后续将继续研究刻写策略对刻写效率的影响。

本项研究有助于实现高精度与大尺寸结构的高速加工，推动双光子激光直写技术向产业化方向发展。

参考文献： 中国光学期刊网

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