高速双光子激光直写技术研究进展

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飞秒激光的超短脉宽及高峰值功率密度特性，使其从根本上改变了激光与物质相互作用的方式，在微纳加工方面展现出独特的优势，成为微纳加工技术的研究热点。同时，飞秒双光子直写（TWo-photon lithography, TPL）无需掩模版，具有3D加工能力，且可以直接将电脑端设计的结构进行加工，是目前硅光芯片、新型传感器、人工智能、新型材料等新兴领域迫切需要的微纳加工技术。然而，相比目前运用广泛的曝光光刻技术，飞秒双光子直写技术的加工效率问题一直束缚着其在各领域中的运用。一方面，加工时间长使其加工效率非常低下，难以大范围推广；另一方面，加工时间段内的不确定因素会对刻写精度造成影响，长时间的加工难以获得高质量结构。因此，双光子刻写技术目前只能局限于实验室研究。

科研人员尝试从多方面（化学、工程及光学手段等）着手进一步提升双光子刻写速度。化学方法采用对材料进行改良以减少曝光剂量等方式；工程手段采用优化扫描策略、基于振镜或转镜的扫描速度提升、增加激光功率、采用更短波段的飞秒激光等方式；光学方法采用多焦点并行直写、面曝光、体曝光等方式来提升刻写速度。上述刻写方式虽然能大幅度提升刻写速度，但往往以牺牲刻写精度为代价，单光束刻写的分辨率更高，但刻写效率相对较低。因此，如何在保证刻写精度的基础上进一步提升刻写速度，仍是当前飞秒激光双光子直写技术面临的重大挑战。

之江实验室刘旭教授、匡翠方教授研究团队在《光电工程》2023年第3期“激光微纳加工专题”上发表了题为“基于飞秒激光的高速双光子刻写技术”的综述文章。文章从飞秒激光双光子刻写出发，以刻写效率为主线，阐述了科研人员针对飞秒双光子刻写效率提升进行的研究工作。具体地，分别从几个代表性的光学曝光手段，即单光束扫描、并行多光束刻写、面曝光和体曝光四个模块进行总结与对比，如图1所示。同时，对各项研究工作所涉及的光学参数、材料组分、曝光策略等进行相关阐述，给出了相应技术所能实现的刻写精度与刻写通量以及可能的应用场景，同时对比各项技术的优劣势，并展望了未来的发展趋势。

 

 

图2 单光束刻写的主要扫描方案。(a) 位移台扫描；(b) 振镜扫描；(c) 转镜扫描；(d) 声光偏转器AOD扫描

图3 多光束并行双光子直写技术。(a) SLM； (b) DMD；(c) 多光束干涉；(d) MLA；(e) DOE

文章还进一步阐述了飞秒双光子面曝光的研究进展。该技术一般通过数字微镜阵列DMD或空间光调制器SLM产生目标图形化光场，并将该面光场投影到物镜焦面进行曝光，如图4（a-b）所示。基于该方法的飞秒双光子光刻具有加工效率高、工序简单、无需掩模、结构灵活等优点，但这种方法对结构化光场的均一性、边缘质量要求极高，极少量的噪声也会导致加工结构质量的下降，目前对于高精度结构的面曝光技术还难以实现。文章最后提及的体曝光刻写技术拥有最快三维刻写的潜力。体曝光技术在加工三维器件时将大幅缩减刻写时间。然而，目前的研究成果只能制备相对简单的三维结构，如球状、环状等，如图4（c）所示，无法应对更加复杂结构的制备，在实际运用中还需要更多、更深入的研究。