一种基于超透镜阵列的激光并行直写装置及方法

技术领域

本发明涉及激光直写技术，特别是一种基于超透镜阵列的激光并行直写装置及方法。

背景技术

大尺寸、高密度衍射光栅在高功率激光、啁啾脉冲压缩技术中有着越来越多的应用，是光学系统和科学仪器如大型天文望远镜、惯性约束核聚变激光点火系统中的核心关键光学器件。微电子加工技术在衍射光学元件的制备领域已经取得了巨大的进展。激光直写技术作为微电子加工技术中的一类新兴技术，其发展受到了越来越多的关注。激光直写是一种无掩模光刻技术，利用强度调制的聚焦激光光斑在涂有感光材料的基片表面进行二维扫描光刻，通过显影生成需要的掩模图形。激光直写技术近些年越来越多地被应用于加工掩模、微纳光学器件等领域，激光直写技术发展日趋成熟。相比传统全息技术、电子束光刻技术，激光直写技术具有更高的灵活性、价格相对较低的优点，相对其他有掩膜光刻技术而言，激光直写技术不需要昂贵的掩膜版，降低了成本及损耗。

激光直写技术一般采用可见光波段作为直写光源，直写光斑尺寸受到光学衍射分辨极限的限制。2006年英国Berry和Popescu教授提出了超震荡理论(0.38λ/NA)，在理论上证明了特殊设计的光栅结构可在远场实现超衍射极限的聚焦，且不需要倏逝波的参与，该结构称之为超透镜。为了进一步提高直写分辨率，突破衍射极限，急需设计一种新型超分辨的激光直写技术。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于超透镜阵列的激光并行直写装置，适用于刻写高密度、高精度的大尺寸衍射光学元件。

本发明的第二目的在于提供一种基于超透镜阵列的激光并行直写方法，可提高刻写密度和直写效率，实现大尺寸、高密度光栅的刻写。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：

一种基于超透镜阵列的激光并行直写装置，包括，

移动平台(9)，用于放置光栅基片；

激光直写光路组件，其中，

所述激光直写光路组件包括蓝光激光光源(1)、透镜(2)、小孔(3)、透镜(4)、超透镜阵列(6)和显微镜(7)，蓝光激光光源(1)输出的光束依次经过透镜(2)、小孔(3)、透镜(4)准直扩束，再入射到超透镜阵列(6)上，最后由显微镜(7)聚焦于移动平台上待刻写的光栅基片表面。

优选的，所述超透镜阵列为超临界透镜阵列。

更进一步的，所述超临界透镜阵列为平面衍射透镜阵列。

优选的，所述超透镜阵列(6)放置于转台(5)上。

更进一步的，还包括控制系统，所述控制系统连接并控制蓝光激光光源(1)、转台(5)以及移动平台(9)。

更进一步的，所述控制系统具有超透镜旋转控制模块、平台位置调整模块、光源控制模块，所述超透镜旋转控制模块用于控制转台(5)的转动；所述平台位置调整模块用于控制移动平台(9)的精密移动；所述光源控制模块用于控制蓝光激光光源(1)的功率。

更进一步的，控制系统为计算机(10)。

更进一步的，移动平台(9)上设置有样品微调台(8)，所述光栅基片放置于所述样品微调台(8)上。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：

一种基于超透镜阵列的激光并行直写方法，步骤如下：

S1、将待刻写的光栅基片放置于移动平台(9)；

S2、利用蓝光激光光源发射出光束，光束依次经过透镜(2)、小孔(3)、透镜(4)准直扩束，再入射到超透镜阵列(6)上，产生多路光点；

S3、多路光点通过显微镜(7)聚焦于待刻写的光栅基片表面，最终在光栅基片表面形成掩模图形。

优选的，在步骤S2之前，将超透镜阵列(6)放置于转台(5)上；

在激光直写的过程中，通过计算机(10)的超透镜旋转控制模块控制转台(5)的转动，通过平台位置调整模块控制移动平台(9)的精密移动，通过光源控制模块控制蓝光激光光源(1)的功率。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明将激光直写技术与超透镜阵列相结合，将超透镜阵列置于直写光路中，利用超透镜阵列分束的特点，实现了并行直写，即可以形成多点光斑，一次直写多条光栅栅线，因此可以激光直写装置的直写并行度，提高直写效率。同时，利用超透镜的超分辨成像，缩小了焦斑，超透镜在保证超衍射极限焦斑的同时，能有效抑制旁瓣的强度，使分束产生的多路光点同时得到了缩小，突破了光学衍射极限，使得在超透镜的下表面一定距离范围内的光栅基片上形成高分辨的图像，提高了刻写密度，实现了大尺寸、高密度光栅的刻写。

附图说明

图1是本发明基于超透镜阵列的激光并行直写装置的示意图。

图2是超临界透镜阵列的示意图，其中黑色代表π相位，白色代表0相位。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本实施例公开了一种基于超透镜阵列的激光并行直写装置，如图1所示，包括移动平台9、激光直写光路组件以及控制系统。

移动平台9上设置有样品微调台8，待刻写的光栅基片可放置在样品微调台8上。

激光直写光路组件包括蓝光激光光源1、透镜2、小孔3、透镜4、超透镜阵列6和显微镜7。超透镜阵列6可放置于转台5上，以便转动超透镜的角度。蓝光激光光源1输出的光束依次经过透镜2、小孔3、透镜4准直扩束，再入射到超透镜阵列6上，最后由显微镜7聚焦于移动平台上待刻写的光栅基片表面。

在本实施例中，蓝光激光光源1可以是405nm蓝光激光器。

超透镜阵列为超临界透镜阵列，由多个相同的超临界透镜构成，且均匀排列。超临界透镜是新型的平面衍射透镜，超临界透镜阵列可参见图2，其中黑色代表π相位，白色代表0相位。

本实施例超透镜阵列采用超临界透镜阵列，使得在超透镜下表面的一定范围内的距离可以形成高分辨的图像，激光光束的半高宽相比普通透镜，可得到进一步缩窄。

由于超透镜阵列6具有多个超透镜，准直扩束后的光束穿过超透镜阵列6，可以并行直写，产生多路光点，多路光点再由显微镜得到缩小，从而使其能够在光栅基片表面形成高分辨的图像。利用超透镜的超分辨成像，可以突破光学衍射极限，使得直尺光斑尺寸不受光学衍射分辨极限的限制，有利于提高刻写密度，提高直写分辨率。

控制系统连接并控制蓝光激光光源1、转台5以及移动平台9。本实施例的控制系统为计算机10，其具有超透镜旋转控制模块、平台位置调整模块、光源控制模块，这些模块可以是软件程序，用来输入控制指令以控制相应设备。具体来说，所述超透镜旋转控制模块可用于控制转台5的转动；所述平台位置调整模块可用于控制移动平台9的精密移动；所述光源控制模块可用于控制光源1的功率。

另外，本实施例还公开了一种基于超透镜阵列的激光并行直写方法，该方法应用于上述激光并行直写装置，步骤如下：

S1、将待刻写的光栅基片放置于移动平台9；

将超透镜阵列6放置于转台5上；

S2、利用蓝光激光光源发射出光束，光束依次经过透镜2、小孔3、透镜4准直扩束，再入射到超透镜阵列6上，产生多路光点；

S3、多路光点通过显微镜7聚焦于待刻写的光栅基片表面，最终在光栅基片表面形成掩模图形。

在上述激光直写的过程中，可通过计算机10下发控制指令来控制超透镜旋转控制模块、平台位置调整模块和光源控制模块：通过超透镜旋转控制模块来控制转台5的转动，通过平台位置调整模块来控制移动平台9的精密移动，通过光源控制模块来控制光源1的功率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。