超快激光制造方法及系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年3月6日提交的美国临时申请No.62,639/245的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及一种超快激光制造系统。
背景技术
双光子聚合(Two-photon polymerization)是一种重要的添加制造方法，其通常是在光刻胶中通过对飞秒激光器的焦点进行光栅扫描来执行，从而引起非线性吸收过程以将亚微米特征聚合为纳米级构件块。尽管能够附加地创建纳米级特征，但是处理速率受到逐点逐层的串行扫描过程的限制。虽然已经提出了并行处理方法，例如使用微透镜阵列或空间光调制器处理的方法，但是它们通常在制造周期性结构方面受到限制或具有受损的分辨率。因此，希望具有一种在不牺牲制造分辨率的情况下显著提高吞吐量(多点写入)和写入能力(随机存取扫描)的解决方案。
发明内容
在本申请中提出了一种激光制造方法和相关的光学系统，其中使用基于二元全息图的技术以执行多点激光点控制，同时使用单个DMD进行光束整形和波前校正。
根据本申请的实施方式，激光制造系统包括：超快激光源，配置为输出激光束；数字微镜器件(DMD)，配置为接收激光束并对激光束进行整形，其中多于一个的二元全息图被合成(或叠加)以形成应用于DMD的扫描全息图；离开DMD的经整形激光束被聚焦到光刻胶，用于并行地制造单点或多点。由于一个以上的二元全息图被合成以形成应用于DMD的扫描全息图，即，可以通过单个全息图产生一个或多个焦点，所以可以通过使用单个DMD来实现多焦点扫描。
根据实施方式，由于DMD可以将负角分散引入到激光束，所以系统还可以包括分散补偿单元，该分散补偿单元配置为以正角分散将激光束从激光源传递到DMD，以中和负角分散。例如，分散补偿单元包括透射式闪耀光栅和反射镜。
根据实施方式，扫描全息图中还包括用于波前校正的波前信息，以同时实现用于多焦点扫描的光束整形和波前校正。
根据实施方式，来自激光源的激光束可以被扩展以匹配DMD的孔径。
根据实施方式，所述系统还可以包括通过一组由两个透镜组成的中继光学器件(例如4-f系统)被配置为聚焦经整形的激光束的物镜。
根据实施方式，空间滤波器可放置在中继光学器件(例如4-f系统)的后焦平面处，以空间地选择非零级光束，例如从全息图衍射的第-1级光束或第+1级光束。
根据实施方式，所述系统还可以包括显微成像系统，所述显微成像系统配置为监视由经整形的激光束执行的制造过程。
根据实施方式，所述系统还可以包括定位工作台，配置为安装和操纵待激光处理的样本。
根据实施方式，用于激光制造的方法包括：从激光源输出激光束；利用由一个以上的二元全息图合成的扫描全息图，通过数字微镜器件(DMD)对激光束进行整形；以及利用单个或多个经过整形的激光点将经整形的激光束聚焦到光刻胶，以进行并行制造。
根据实施方式，所述方法还可以包括中和由DMD引入到激光束的负角分散。
根据实施方式，扫描全息图中还包括用于波前校正的波前信息。
根据实施方式，所述方法还可以包括空间地选择扫描全息图的非零级衍射，例如第-1级衍射或第+1级衍射。
附图说明
图1示出根据本申请实施方式的DMD TPP制造系统的光学配置。
图2(a)示出了可由DMD扫描仪实现的示例性螺旋路径，其中路径上的每个点对应于不同的全息图；以及图2(b)和图2(c)分别示出了扫描路径上两个不同点(B和C)的全息图。
图3(a)示出了根据本申请的实验的桁架阵列的计划轨迹；以及图3(b)至图3(d)示出了具有不同比例尺的桁架阵列的SEM结果。
图4(a)至图4(d)分别是用于木堆结构的单焦点制造、双焦点制造、三焦点制造和四焦点制造的计划轨迹。
图5(a)至图5(d)分别示出由CCD相机采集的单焦点制造工艺、双焦点制造工艺、三焦点制造工艺和四焦点制造工艺的图像；以及图5(e)和图5(f)示出显影后的制造结果的SEM图像。
图6(a)示出伦敦桥的CAD模型；以及图6(b)是TPP制造的伦敦桥。
图7示出了根据本申请的实施方式的激光制造方法的流程图。
具体实施方式
为了实现高精度、高通量的双光子聚合，提出了一种基于二元全息的多焦点DMD随机存取扫描仪。具体而言，DMD用作利用全息图编码的可编程二进制掩模(mask)，以调制入射的飞秒激光波前。可以通过使用具有调整的倾斜相位的球面波前的全息图案来实现3D扫描。为了提高扫描分辨率，可以设计用于波前校正的全息图，并将其合成为扫描全息图，以通过单个DMD实现同时的任意光束整形和3D激光扫描。通过叠加来组合各个焦点，可以实现多焦点随机存取扫描。因此，可任意规划多焦点扫描轨迹以制造具有最佳机械特性的结构。还开发了参数模型和计算机算法，以确定性地将系统性能与DMD参数相关联。已经进行了制造实验，并证明了新多点激光写入系统的性能。
根据本申请的实施方式，激光制造系统包括配置为输出激光束的超快激光源；配置为通过合成的二元全息图来接收、整形和扫描激光束的数字微镜装置(DMD)。系统还可包括配置为安装光刻胶或样本的定位工作台。由于通过全息图产生一个或多个焦点，因此可以实现具有多个焦点的制造。因此，激光制造系统可以同时实现多焦点的扫描，显着地减少制造时间。此外，用于波前校正的波前信息也可以包括在扫描全息图中，以使得同时地实现用于多焦点扫描的光束整形与波前校正。
DMD将激光束整形为具有负角分散。为了中和负角分散，可以在DMD和激光源之间提供分散补偿单元，从而以正角分散将激光束从激光源传递到DMD。例如，分散补偿单元可以包括透射式闪耀光栅和反射镜。来自激光源的激光束可以被扩展以匹配DMD的孔径。
此外，激光制造系统可以包括无限远校正物镜，该无限远校正物镜通过由消色差透镜和管透镜组成的1:1望远镜，被配置为将经整形的激光束聚焦在光刻胶上。虹膜光阑可放置在消色差透镜的后焦平面处，以空间地选择扫描全息图的-1级衍射。
在图1中示出了本申请的激光制造系统的示例性实施方式。例如，激光源101是中心波长为800nm的再生飞秒钛宝石(Ti：sapphire)激光放大器(Spectra-Physics,SpitfirePro)。激光器被配置为具有10kHz的重复率，具有100fs的脉冲宽度和4W的平均功率。激光源的替代选择可以是钛宝石激光(Coherent,Chameleon Ultra II，在800nm处3.5W；重复率：80MHz。)。保守计算表明，激光放大器可以同时处理用于TPP的具有足够能量的100+个焦点，而振荡器可以处理15个点。
首先，通过两个消色差透镜(L1,L2)103和104适当地扩展从激光源101发出的激光束，以确保DMD孔径(DLP 41000.7”XGA,1024×768像素，德州仪器(Texas Instrument))被完全填充。透镜L1和L2一起形成扩束器。由于DMD 106既用作可编程的二元全息图又用作闪耀光栅，因此它将负角分散引入到激光束中。为了消除角分散，在光路中包括透射式闪耀光栅102和反射镜(M1)105，以产生正角分散。透射式闪耀光栅102和反射镜(M1)105共同用作分散补偿单元。反射镜M1 105可以是高反射率反射镜。在DMD 106之后，通过由消色差透镜L3 107和管透镜L4 109组成的1:1望远镜将无分散激光束引导到无限远校正物镜111。虹膜光阑108放置在L3的后焦平面处，以空间选择二元全息图的-1级衍射。将光刻胶安装在电动精密XYZ工作台112上用于定位。为了原位监控制造过程，可以结合制造装置构建显微成像系统。如图1所示，显微镜通过分色镜110与制造系统共享物镜。将外延照明光源115耦合到系统以用于样本照明。由50∶50分束器(BS)113之后的CCD相机114记录制造过程的图像/视频。
在下文中，详细描述激光制造系统的特征。
分散补偿
分散补偿对于DMD扫描仪是关键的，且相关参数可以用数学方法确定。下式给出了光栅方程的一般形式
d(sinθi+sinθm)＝mλ， (1)
其中，d是凹槽中心的距离；m是指定衍射级的整数；θi和θm分别是第m衍射级的入射角和衍射角。对方程1求微分产生角分散
其中，下标G和D分别表示光栅和DMD的相关参数。L1和L2形成4-f光学配置，以在光栅之后扩展光束大小并调整分散角。因此，由DMD引入的角分散被完全补偿。由于ΔθG和ΔθD较小，它们可以近似为：
在该设置中的重要参数包括中心波长λ＝800nm；DMD的像素大小dD＝19.35μm；光栅的栅距dG＝0.83μm；光栅的衍射级和DMD的衍射级分别为mG＝1和mD＝10：以及分别对应的衍射角为θmG＝27°，θiD＝17°。将这些值代入方程2和方程3，存在关系fL2＝2.5×fL1，因此可以选择fL1＝100和fL2＝250，以完全补偿由DMD引入的角分散。注意，当采用不同的DMD单元或模型或光栅时，可以总是找到合适的4-f系统来补偿角分散，因为θiD可被连续地调整。
任意轨迹规划
在传统的TPP系统中，通过一对电流计扫描仪来实现制造过程，所述电流计扫描仪扫描x-y平面和轴向地移动样本的线性工作台。例如，来自Nanoscribe GmbH(https://www.nanoscribe.de/)的商业系统。因此，只能以逐层的方式来制造结构，这限制了复杂结构的打印速度。相较而言，基于DMD的TPP系统可以以相等的速度(22.7kHz或5mm/s)扫描任何轨迹(连续的或不连续的)。重要的是，通过延长激光焦点在DMD扫描仪的工作空间内的任何选定点处的停留时间，可以容易地实现灰度级控制。图2(a)示出了可由DMD扫描仪实现的示例性螺旋路径，其中路径上的每个点对应于不同的全息图。扫描路径(B和C)上的两个不同点的全息图分别在图2(b)和图2(c)中示出。
通过对DMD应用增大焦距或减小焦距的球面波前的二元全息图，可以实现轴向扫描；以及通过改变Lee全息图中的倾斜相位项可以实现横向扫描，即R(x，y)/T，其中R(x，y)确定条纹图案的偏置和倾斜角，以及T确定条纹的周期。因此，通过在DMD上叠加和快速调制经设计的二元全息图来实现同时的轴向和横向扫描(即，3-D随机存取扫描)。当与40x物镜配对时，DMD扫描仪在X、Y、Z轴上具有103、206、524微米的扫描范围；以及在轴向和横向方向上分别具有270nm和130nm的扫描分辨率(即，最小步长)。
多焦点扫描
通过在DMD工作空间中叠加各个焦点的全息图可以同时产生多个焦点。为了在数学上实现这一点，令
其中h(i，j)表示DMD上的微镜在(i，j)处的二元值。Bk、Rk(x，y)、Tk和φk分别是针对第k个焦点的相对幅度因子、倾斜相位、光栅周期和相位。
重要的是，通过二元全息图，可以任意控制焦点之间的强度分布，实现单次曝光灰度控制。由于同步多焦点制造能够实质上缩短加工时间，因此同步多焦点制造已成为添加制造中的一个长期目标。与现有的多焦点制造(multi-focus fabrication)方法(主要是将空间光调制器与机械扫描仪结合)相比，根据本申请的系统可以用单个DMD来实现目标。
自适应波前校正
使用DMD扫描仪，可以设计波前校正算法并且将波前校正算法通过叠加添加到扫描全息图，从而实现具体到点的波前优化并且最小化DMD工作空间上的体素大小。为了执行波前校正，首先通过在荧光溶液中收集低曝光水平的图像序列来测量系统像差，然后基于模态波前感测方法来确定系统像差，其中像差被认为是正交模式的总和，例如Zemike多项式(注意，EMCCD可以用于校准。)。质量度量(quality metric)可被设置为总强度以用于优化处理。然后选择基本模式，并将基本模式转换为二元全息图，并与扫描全息图组合。接下来，应用顺序二次最大化过程来识别最佳模态系数。一旦确定了最佳模式，则将像差测量和校正应用于用于高速TPP制造(22.7kHz)的光束扫描和整形全息图，即，将具体到点的波前校正应用于DMD工作空间的每个点。
因此，可以同时执行多点光束扫描和波前校正。注意，由DMD产生的所有焦点可以被单独控制(位置和强度)以及进行波前优化。在数学上，它们可以被描述为：
这里，
实验
研制了基于超短脉冲激光和光束整形的用于精密3D TPP打印的原型系统。初步的实验数据表明，结果是可重复的，并且实现了比任何现有系统高得多的吞吐量。
为了验证制造分辨率和速度，制造桁架阵列，在图3(a)中示出桁架阵列的轨迹。每个桁架阵列由大约60,000个点组成，对应于大约60000个二元图案，激光功率被设置为30mw，DMD以其最大图案速率(22.7kHz)工作。在此条件下，每个桁架在3秒内制造。图3(b)至图3(d)以不同的放大率呈现所制造的桁架阵列的SEM图像。结果表明，根据本发明的系统实现了与来自Nanoscribe的现有技术的商业系统相同或更好的分辨率。
为了证明多焦点并行制造能力，分别使用两个、三个和四个焦点来制造木堆。在图4和图5中分别给出了经编程的扫描轨迹和制造结果。
图4(a)至图4(d)分别示出了木堆结构的(a)单焦点制造(b)双焦点制造(c)三焦点制造和(d)四焦点制造的计划轨迹。
图5(a)至图5(d)分别呈现由CCD相机采集的单焦点制造工艺、双焦点制造工艺、三焦点制造工艺和四焦点制造工艺的图像，其中可以清楚地观察到多焦点能力。图5(e)和图5(f)示出显影后的制造结果的SEM图像。图5(f)中的放大图像示出了木堆的细节，并再次确认了写入分辨率(～500nm，受衍射限制)。
最后，使用DMD TPP系统制作了微尺度的伦敦桥，演示了任意路径规划的能力。首先，将伦敦桥的CAD模型分解为点阵；空间中的每个点对应于特定的二元全息图。通过在DMD存储器中任意布置全息图序列，可以容易地规划轨迹。对于多点处理，可以合成选定点的选定全息图以产生新的全息图。因此，减少了全息图的总数(或制造时间)。
图6(a)和图6(b)分别表示伦敦桥的CAD模型和制造结果。伦敦网桥由160,000个点(或二元图案)组成。对于单点扫描，制造时间仅为7秒。像素停留时间为44微秒。
根据本申请，利用足够的激光功率，多达100个点可同时产生并被分别控制用于精密纳米制造，例如双光子聚合，从而实现高吞吐量、高精度纳米制造。
与现有的基于超短激光的3D打印技术相比，本申请的激光制造系统具有以下明显的优点：(1)空间中的任意扫描轨迹、(2)高吞吐量、(3)多焦点扫描、(4)优良的精度和可重复性、(5)对打印结构的机械和光学特性的改进，以及(6)低成本。
应当理解，在上述激光制造系统的基础上，在本申请中还提出了激光制造方法。根据本申请的激光制造方法可以通过如上所述的激光制造系统来实现。
图7示出了根据本申请的实施方式的激光制造方法的流程图。如图所示，在步骤710，从激光源输出激光束。在步骤730，利用由一个以上的二元全息图合成的扫描全息图，通过数字微镜器件(DMD)对激光束进行整形。在步骤750，利用单个或多个经整形的激光点将经整形的激光束聚焦到光刻胶上，以实现并行制造。根据实施方式，还包括中和由DMD引入到激光束的负角分散的步骤。根据实施方式，用于波前校正的波前信息还包括在扫描全息图中。根据实施方式，可以进一步包括对扫描全息图的-1级衍射进行空间选择的步骤。注意，上述用于激光制造系统的所有技术特征也可应用于激光制造方法。
尽管已经描述了本申请的优选示例，但是本领域技术人员可以在了解基本发明构思后对这些示例进行变型或改进。所附权利要求旨在被认为包括优选示例，并且所有的变型或改进都落入本申请的范围内。
