分享 | 超分辨双光子聚合–基于空间光调制器的双通道激光直写技术简介

光学微纳加工技术是现代信息化产业发展的重要基础，支撑着包括芯片、半导体、传感器等产业的发展，然而我国的先进微纳制造技术及装备一直处在被国外封锁的状态。为此，大力自主发展先进微纳加工技术至关重要。

在诸多先进制造技术中，双光子激光直写技术广泛应用在纳米光子学、生命科学、材料科学、集成光电子等领域，相对于紫外投影光刻技术和电子束光刻，其具有无掩膜、非真空、真三维的加工优势。但是，受到衍射极限影响，当前的双光子激光直写设备的加工线宽被限制在百纳米，很难实现亚百纳米的特征尺寸。针对这个问题，科研人员借鉴远场超分辨成像方法中的受激辐射损耗技术，开发了基于边缘光抑制的双光子激光直写方法，进一步提升双光子激光直写技术的特征尺寸。在边缘光抑制技术中包含两束光：一束常规高斯光束用于激发光刻胶聚合，一束聚焦后形成圆环形光斑的抑制光束，两束光精确地在空间上对准。通过抑制光形成的环形光斑抑制光刻胶在外围区域的聚合进而提高直写分辨率。通过这种方式，可以使激光直写突破衍射极限。此外，目前的双光子设备皆采用单焦点或单通道刻写，加工速度较慢，是一种低通量的装置。采用多焦点并行加工可以在一定程度上提升系统通量，加快系统加工效率。但目前多数相关文献报道集中于周期性、重复性结构打印。

为此，研制一种既能突破衍射极限获得高精度特征尺寸，同时又可以实现灵活、快速制造的激光直写装置，对于双光子激光直写技术发展、实现大面积应用具有巨大的推动作用，对于自主发展先进微纳装备具有重要意义。

研究重点、创新点、成果

最近，由浙江大学、之江实验室组成的，由刘旭教授、匡翠方教授领导的团队基于前期远场超分辨技术的研究经验，提出了一种新型的双通道激光纳米直写方法，并完成了设备样机研制。团队深入研究发展了暗斑调控技术、双通道调控技术、边缘光抑制技术、防漂移技术、三维模型解析技术和新型光刻胶技术。所研制的装置刻写效率比市面上的单通道装置产品提升一倍，最小二维线宽达到40nm，空间悬浮线横向线宽稳定在20-30nm。基于偏振独立调控技术，实现了通道间的独立控制，双通道可以并行打印不同的任务。突破了传统并行方法局限于周期性结构打印的问题，能广泛应用于制造非周期性结构和高度复杂结构。这进一步扩展了激光直写光学制造的潜在应用范围，使该装置有望成为可支持众多领域发展的实用支撑设备。

采用激光直写打印比特点结构在大数据光存储方面具有极大的应用潜力。图3展示了双通道系统在打印比特点图案上的能力，其中，（a）图是打印结果的扫描电子显微镜图，（b）、（c）图分别是（a）中黄色和蓝色方框的放大图，比特点的水平和垂直间距为200 nm，比例尺为1 μm。(a)图中的上半部分采用边缘光抑制打印，点结构间隙清晰可辨；相比之下，采用传统双光子打印的下半部分，点结构十分模糊。正常的单光束路径系统中，这两行必须单独打印；而在双通道系统中，两个图案可同时打印，可见该方法的效率是普通单光路系统的两倍。

为了测试实际3D纳米结构的并行打印效果，研究人员还打印了超材料结构立方体。打印结果如图4所示。

使用体验 

超分辨双光子聚合需要将超快激光完美聚焦至衍射极限，抑制光则需构建为环形光束并精确与工作激光重合，对系统的像差、稳定性、位相调控精度和准确度都有极高要求。空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）的全面、精确、灵活、可靠的光场调控功能可以通过调控激光波前位相生成所需形状的光场分布（例如多焦点、贝塞尔光束、环形光斑等），并可补偿激光以及光学系统的像差、实现理想的聚焦；同时，SLM还支持动态控制，可在实验过程种按需改变光场分布。在前沿的显微技术中，空间光调制器是光场调控的必备器件之一。

系统中采用了来自日本滨松公司的两款SLM（-02和-16系列, Hamamatsu, Japan），分别用于实现对780nm脉冲激发光和532nm连续抑制光的调控。滨松SLM在超分辨双光子聚合系统中作为光场调控的核心器件，其良好性能为研究目标的高质量达成提供了有力的支持和保证：

l外形设计简洁、紧凑，使用方便，易于集成；

l具备完备的二次开发包及例程，方便科研人员完成自定义功能以及应用程序开发；

l高效率：采用介质反射膜，95%光利用率，充分利用激光能量；

l低吸收、高损伤阈值：可使用较高功率激光以实现多路并行操作；即使在无水冷情况下也具备高功率适应性和稳定性；

l精密准确的位相调节和位相稳定性：满足十纳米量级超分辨双光子聚合对光斑、对准、指向性的精密控制和稳定运行的要求。

文章出处 

题目：Direct laser writing breaking diffraction barrier based on TWo-focus parallel peripheral-photoinhibition lithography

期刊：《Advanced Photonics》，SCI收录，中科院、JCR一区；

原文链接： 

https://doi.org/10.1117/1.AP.4.6.066002

作者及通讯作者：本文作者为由之江实验室和浙江大学科研人员组成的团队，通讯作者为刘旭教授和匡翠方教授。