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3D激光打印微纳制造专栏--2--超分辨激光直写器件

小编公众号3d激光打印微纳制造专栏第一篇向大家介绍了双光子直接打印技术,但是双光子直写打印存在两个问题


分辨率不高


无法大批量,低成本,高效率的制造


因此才华横溢的科学家


针对分辨率不高的问题,提出了“超分辨率激光直写技术”


针对大面积,大批量,低成本,高效率制造问题,提出了“高通量激光直写技术”


小编本文分享的就是双光子直写的进阶版,超分辨率激光直写技术。


本文文章引自光学学报的一篇极其优秀的文章


基于双光子直写的微纳光学器件研究进展/何敏菲1朱大钊2王洪庆2杨振宇1沈凡琪1吴仍茂1匡翠方1,2刘旭1,2浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室2. 之江实验室


划重点(双光子3D打印代工)


在光纤端面亦或其他基底材料上通过双光子3D打印的方式一直是科研工作者研究的关注点,但是由于高精度双光子3D打印的设备极其昂贵,技术也较为前沿,许多科研工作者乏于寻找可靠的,高效率的加工提供商。


小编也很有幸,曾经见到国内有团队已经实战在光纤端面做各种超结构,并且得到了客户满意的效果。


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 超分辨激光直写器件

双光子直写技术是一种微纳加工技术,具有刻写精度高、可任意三维结构刻写、可加工材料范围广等特点。随着科技的发展和需求的增长,人们对双光子直写分辨率的要求越来越高。双光子直写技术虽然能够制造复杂的微纳结构,但是其分辨率受衍射极限和光胶记忆效应的限制,无法满足研究人员在纳米光子器件 加 工 中 的 要 求 。 为 了 提 高 双 光 子 直 写 技 术 的 分 辨率 ,研 究 人 员 开 发 了 基 于 边 缘 光 致 抑 制(PPI)的 超 分辨直写光刻技术[61,64-65]。该技术能够有效提高分辨率,突破衍射极限,目前已经实现了亚 50 nm 的特征尺寸。超分辨直写光刻技术给生物医学、电子信息、新型材料等微纳加工领域带来了新的可能性,为各种应用领域提供了更多选择 。本课题组在 2022 年提出基于单色PPI 的超分辨直写技术,特征尺寸达到 36 nm,最小线间距达到 140 nm[26]。下面简单介绍基于单色 PPI 的超分辨直写技术(图 6)。


激光直写(1)


激 发 光 源 采 用 波 长 为 532 nm、重 复 频 率 为80 MHz、脉 宽 为 140 fs 的 飞 秒 激 光 器 ,抑 制 光 源 使 用与激发光波长相同的 532 nm 连续激光器。激发光和抑制光分别通过声光调制器(AOM)实现曝光功率可调节。激发光和抑制光通过偏振分束器(PBS)进行合束后,分别被空间光调制器(SLM)的右半边和左半边区域调制为实心光斑和空心光斑。系统采用胶浸式刻写 ,将 NA=1. 4 的 100×物 镜 浸 没 在 液 态 光 刻 胶 中 。波长为 532 nm 的飞秒激发光为实心光斑,实现双光子激发 ;波长为 532 nm 的连续激光为空心光斑,可以通过受激辐射损耗和三重态吸收,抑制实心光斑边缘区域的双光子聚合反应,从而提高刻写分辨率[26]。单色 PPI 超分辨直写技术可在亚百纳米特征尺寸的情况下实现快速三维直写,并具有低成本、单步制备和可刻写任意三维结构等优点[26]。本课题组将超分辨激光直写技术应用到超表面和光子晶体结构刻写,以展示该光刻技术在纳米光子器件研究和实际应用中的巨大潜力。

1.二维超表面

从量子力学角度看,光束携带了自旋角动量和轨道角动量。这些信息为量子信息处理和光通信等领域提供了新的信息维度。因此,检测自旋角动量和轨道角动量是一个重要的光学研究课题。其中,自旋角动量与光偏振态有关。左旋圆偏光和右旋圆偏光对应的自 旋 角 动 量 值 分 别 为+1 和-1。 使 用 超 表 面 设 计 能以简单的光学设计和多功能集成等特点实现角动量的检 测[66-67]。 超 表 面 是 一 种 超 薄 的 光 学 元 件 ,它 能 够 在亚波长尺度上对光束的相位、振幅或偏振产生突变[68]。超表面通常由微型各向异性的光散射器(如光学天线)阵列组成,其单元结构间距和尺寸都远小于波长[69],这需要超高精度的制造技术。本课题组使用单色 PPI 直写技术制备自旋解耦超表面,并开展了相关设计与表征的研究工作[26]。图 7(a)为 所 设 计 的 自 旋 解 耦 超 表 面 示 意 图 。 自旋态可以根据聚焦位置的坐标来区分。当使用左旋圆偏振(LCP)光束照明时,焦点的位置为(-x0,y0)。当照明的偏振状态从右旋圆偏振(RCP)转变为 LCP 时,焦 点 位 置 变 为(x0,y0),可 实 现 自 旋 态 的 判 别 和 控 制 。自旋解耦超表面可以产生与光束自旋态相关的几何相位 ,其 中 几 何 相 位 也 被 称 为 PancharatnamBerry(PB)相 位[70-71]。 通 过 控 制 单 个 纳 米 棒 的 局 部 方 向 角 φ(x,y)可以引入相位变化,其值为 2σφ(x,y),其中 σ=+1表 示 LCP 光 入 射 ,σ=-1 表 示 RCP 光 入 射 。 图 7(b)展示了自旋解耦超表面对应的纳米棒旋转角度分布计算结果。图 7(c)展示了使用单色 PPI 超分辨激光直写技术制造自旋解耦超表面的结果,该超表面的总尺寸为 60 μm×60 μm,整体结构刻写时长为 2. 5 min,这证实了利用单色 PPI 直写技术可以实现从仿真结构到实际 器 件 的 快 速 转 换 。 图 7(d)、(e)展 示 了 超 表 面 的 形态 均 匀 性 ,其 中 纳 米 棒 的 宽 度 为 75 nm,长 度 为250 nm,周期为 350 nm。图 7(f)展示了超表面器件的表征实验结果。如图7(a)所 示 :当 LCP 光 入 射 时 ,光 束 焦 点 位 置 在(-5 μm,42 μm);当变为 RCP 光入射时,焦点则切换到(5 μm,42 μm)的 位 置 上 。 根 据 焦 点 位 置 可 以 分 辨出旋向,实验测得的焦点位置和自旋解耦性能都与仿真结果吻合。分别提取 LCP 和 RCP 入射光的焦点强度 分 布 曲 线 作 进 一 步 对 比 ,结 果 如 图 7(g)所 示 ,实 验测得的曲线与仿真结果基本一致。综上,该超表面器件在实时光信号采集探测领域或智能设备探测上有着一定的应用潜力[72]。为了验证单色 PPI 在刻写超表面结构时的超分辨刻写能力,本课题组还对比了边缘抑制光束在开启和关闭下的刻写结果,如图 8 所示。结果表明,当开启边缘 抑 制 光 束 时 ,纳 米 棒 的 宽 度 可 以 从 100 nm 减 小 到75 nm,并 可 以 有 效 地 减 少 纳 米 棒 之 间 的 交 联(如 图 8中的箭头所示),从而提高刻写精度和结构保真度。

2 光子晶体

三维光子晶体是一种光学微结构,由周期性排列的不同折射率介质构成,可用于禁止、限制或控制特定波长范围的光在光子晶体中传播。光子晶体阻止光传播的频率范围称为光子带隙[73]。光子带隙是光子晶体的核心特征,它的频率落在带隙中的光入射到光子晶体时,将被强烈反射,几乎无法穿过光子晶体。光子带隙的存在,使得光子晶体具有结构色。基于光子晶体的结构着色具有不褪色、对环境污染小等优点[21],这在色彩以及相关行业有着较大的应用潜力。三维刻写方法在光子晶体的研究和实际应用中起着重要的作用,是光子晶体研究和实际应用的重要基础。其中传统激光直写技术无需掩模,可以直接进行三维刻写,是三维光子晶体的一项重要制造技术。激光 直 写 的 光 子 晶 体 晶 格 常 数 通 常 在 μm 尺 度 ,并 在 红外光谱区域工作。为了将这些光子晶体的应用波段扩展到可见光谱范围(380~780 nm),光子晶体的晶格常数必须相应地减小。将电子束刻写与沉积、刻蚀等工艺 相 结 合 ,可 以 制 备 出 晶 格 常 数 为 250 nm、宽 度 为75 nm 的 柴 堆 型 光 子 晶 体 ,并 将 其 成 功 应 用 到 近 紫 外和可见光波段[74]。但是这种制造方式需要逐层多步曝光,循环单层制造工艺,制造步骤较多,相应的制造时间较长,成本也更高。使用单色 PPI 光刻技术可以实现单步制造,极大地简化制造步骤,同时也能满足亚百纳米的特征尺寸。柴 堆 型 光 子 晶 体 三 维 空 间 中 都 是 周 期 性 密 集 光栅,这使得该结构是评估三维刻写能力的重要标准[75]。图 9(b)展示了横向周期为 a=250 nm 的柴堆型光子晶体 刻 写 结 果 。 刻 写 时 使 用 的 激 发 功 率 为 4. 9 mW,抑制功率为 5 mW,线扫描速度为 1 mm/s。柴堆型光子晶 体 共 有 6 层 光 栅 结 构 ,整 体 尺 寸 为 20 μm×20 μm,总刻写时间为 10 s。沿 z 方向的逐层扫描由纳米位移台控制,在 xoy 平面上的光栅扫描则通过振镜扫描实现 。 图 9(c)展 示 了 柴 堆 型 光 子 晶 体 的 光 栅 交 错 型 结构,其中横向特征尺寸为 58 nm。如图 9(d)所示,在非偏振白光的照明下,紫色的结构色清楚地展示了柴堆型光子晶体的质量分布均匀性。表 1 展示了由多项刻写技术制造的柴堆型光子晶体的性能。目前主要涉及的刻写技术有干涉光刻[76]、电 子 束 刻 写[74]、双 光 子 直 写[77-79]等 技 术 和 分 辨 率 增 强的 双 光 子 直 写 技 术 如 双 色 PPI 直 写[80-81]、双 步 吸 收 直写[75]、结合热收缩后处理[21]等。通过对比不同技术刻写的柴堆型光子晶体,可以发现利用单色 PPI 直写技术可以达到与电子束刻写相同的晶格周期(250 nm),同时特征宽度也达到了 58 nm 的超高精度。可见,单色 PPI 直写技术有望应用于光子集成器件或光芯片的制造中。


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关于我们:

OMeda成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合)等领域拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务

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来源:OMeda

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OMeda(上海奥麦达微)成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(镀膜、光刻、蚀刻、双光子打印、键合,键合)等工艺拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学,激光器,光子集成电路,Micro LED,功率器件等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务。

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