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极端制造 | 声光扫描空间开关双光子聚合光刻

已有 683 次阅读 2024-6-4 17:19 |个人分类:极端制造|系统分类:论文交流

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作 者

焦玢璋、陈发钰、刘耘呈、范旭浩、曾绍群、董琪、邓磊敏、高辉、熊伟

机 构

华中科技大学

Citation

Jiao B Z, Chen F Y, Liu Y C, Fan X H, Zeng S Q, Dong Q, Deng L M, Gao H, Xiong W. 2023. Acousto-optic scanning spatial-switching multiphoton lithography. Int. J. Extrem. Manuf5 035008.   

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ace0a7

文章导读

近年来,纳米三维打印技术因其能够制造具有纳米级特征尺寸零件而受到广泛关注。其中,双光子光刻技术因其具有真三维数字加工能力和超衍射极限的纳米级加工分辨率,是最有前途的三维纳米制造技术之一,已广泛应用于制造微光学、光子晶体、微流体、超表面和机械超材料。尽管双光子光刻技术在实验室和工业应用中具有巨大潜力,但受限于较慢的加工制造效率,并未实现更广泛的工业生产应用,因此如何在保证高精度、高设计自由度的同时实现高效率加工,一直是双光子聚合3D打印技术的核心问题。为解决这一问题,华中科技大学武汉光电国家研究中心的熊伟教授团队《极端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表了《Acousto-optic scanning spatial-switching multiphoton lithography》的文章,首次提出了一种基于声光扫描与空间开关的双光子聚合光刻术,实现了高精度、高产率的纳米3D打印方法。该光刻技术三维打印速率达到了创纪录的 7.6 × 107 voxel/s,这比先前报道的双光子光刻方法的产率高出近一个数量级,为大规模双光子聚合3D打印方法的实现提供了可行的技术路线。

关键词

微纳三维增材制造;双光子聚合光刻;无畸变声光扫描

亮 点

  • 采用无惯量声光扫描实现快速3D纳米打印,打印速率比基于机械振镜扫描的方法提高近一个数量级;

  • 提出非线性声光扫频技术,实现高速声光扫描下的飞秒光场波像差矫正;

  • 利用空间光开关技术在多焦点并行加工条件下实现任意非周期结构打印。

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图1 无惯量声光扫描纳米3D打印方法的特点:高速无惯量声光扫描;空间光开关技术;多焦点并行制造;波像差矫正。

最新进展

精细复杂三维微纳结构的加工制造是众多学科前沿领域的核心基础,而双光子光刻技术凭借其真三维数字加工能力和超衍射极限的纳米级加工分辨率,一直是行业内的研究热点,现已被广泛应用于三维超材料器件、微纳光学器件、微电子器件、生物医疗工程等前沿领域。但相对于纳米级的高分辨率,双光子光刻技术低下的打印速率,一直限制着该技术进一步发挥潜力。为了提升双光子光刻技术的生产效率,华中科技大学的熊伟教授团队提出了一种基于声光扫描和空间开关(Acousto-optic Scanning Spatial-switching, AOSS)的双光子光刻技术,实现了7.6×107 voxel/s的3D打印速率。

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图2 AOSS方法简介:(a) 微纳3D打印系统示意图;激光束通过无惯量声光扫描发生偏转,采用非线性扫频信号驱动AODy可有效消除偏转激光的波像差;进一步激光通过空间光开关进行切换,该开关包含一个均匀分光的衍射光学元件和一个数字微镜掩膜板。调制后的光束通过高数值孔径物镜聚焦,选择性地照射光刻胶,从而形成聚合物图案;(b) 实验对比由线性扫描信号和非线性扫描信号驱动的激光光场的波前;(c) 八焦点AOSS系统打印微桥模型的过程示意图;(d) 微桥模型的SEM电镜图像,其中单个微桥模型的打印时间仅为130毫秒;(e) SEM 图像的八个彩色处理区域分别代表八个焦点的独立扫描区域,各焦点的扫描范围连接起来形成一个整体。

AOSS系统框架如图2 (a) 所示,包括了无畸变声光扫描模块与空间光开关模块。传统的扫描式双光子光刻技术通常使用振镜等机械扫描方式,扫描速度受惯性限制。该工作则利用声光偏转器(AOD)实现了无惯量的声光扫描方法,相较于传统的机械振镜扫描方法,激光扫描速度提升了5~20倍。为了实现无畸变声光扫描,研究团队开发了AOD的非线性信号调制技术,使得扫场边缘的波前像差的方均根RMS值不超过21.2 nm,确保在高速声光扫描过程中光斑尺寸接近衍射极限。同时,该工作结合衍射光学器件实现了多焦点并行声光扫描以进一步提高加工通量,其中多焦点由空间光开关的不同区域独立控制,可以实现任意非周期性结构的3D打印。

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图3 AOSS方法的3D打印效果图。(a) 三个足球结构的直径分别为34、17 和8.5 µm;其打印时间分别为436、218和269毫秒。(b) 空心纳米晶格的宽度为34 µm,高度为30.5 µm。每个单元的宽度为4.1 µm。(c) 边长为16 µm,线宽为1.2 µm的超材料单元结构。(b) 和 (c) 的打印时间分别为393毫秒和64.5毫秒。(d) 放置在硬币旁的超材料阵列。该阵列使用八焦点AOSS系统打印而成。(e)和(f)分别为放大的阵列单元的SEM图像。(d)和(f)的扫描时间分别为 12.5 分钟和 54.7 毫秒。(g)-(h) 展示了采用AOSS方法打印的多层级“HUST”微纳立体结构。(i)-(l)分别为相对应的多尺度放大SEM图像。(g)和(h)中的“HUST”微纳立体结构由44844个足球单元组成,如(l)所示。该“HUST”微纳立体结构的完整打印时间为74分钟。

研究团队展示了八焦点的AOSS系统,体素尺寸和产率分别为212 nm与7.6 × 107 voxel/s,它的体素产率是过去已报道的最快的机械式扫描MPL方法的8.4倍(Ref.: Adv. Funct. Mater. 30,1907795, 2020),是过去报道的最快的衍射式扫描MPL方法的38倍 (Ref.: Nat Commun. 14,1716,2023);本方法与商品化的双光子聚合3D打印方法相比,打印的速度可以提升490倍。

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图4 AOSS方法与其他双光子聚合方法在生产效率上的对比。焦点数量用“N”表示。压电、振镜和共振镜表示机械式双光子聚合所使用的激光扫描方法。DMD、SLM表示衍射式双光子聚合所使用的扫描方法。

未来展望

该工作中所报道的AOSS方法还具备相当的发展潜力,在将来可以进一步通过增加声光扫描的扫描角度或者通光孔径来增大声光扫描范围;并通过增加多焦点调制数量进一步提升加工速度。例如目前已有通过空间光调制器与数字微镜等器件实现数百个甚至数千个焦点独立控制的相关报道。综上所述,文章中所展示的AOSS技术具有高产量、高分辨率和高设计灵活性,为将来大规模双光子聚合3D打印制造的实现提供了一条富有前景的技术路线。

作者简介

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熊 伟  教授

华中科技大学

熊伟现为华中科技大学教授,武汉光电国家研究中心激光与太赫兹功能实验室主任,主要从事微纳尺度激光3D/4D打印以及超快激光成像与表征等方面研究。近年来在《Science Advances》、《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Light:Science & Application》、《Nano Letters》 等国际知名期刊发表论文50多篇,授权和公开国内外发明专利二十余件。曾获得美国激光协会ICALEO国际会议最佳论文奖,并曾担任美国激光协会ICAELO国际会议激光纳米加工与制造的分会主席,POEM国际会议激光分会的共主席,目前担任中国机械工程学会极端制造分会委员会委员、《中国激光》和《光电子学前沿》(FOE)编委、《极端制造》(IJEM)青年编委,以及湖北和武汉激光学会副理事长。

关于期刊

《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)是极端制造领域的首本国际期刊,致力于发表极端制造相关领域的高质量最新研究成果,文章形式主要为原创性和综述性文章。目前该刊共设四大栏目:材料与能场相互作用、工艺方法、极端功能材料/结构/器件、测量与系统。IJEM现已被SCI、EI、Scopus、CNKI等数据库收录。2023年JCR最新影响因子14.7,位列工程/制造学科领域第一中国科学院分区工程技术1区,TOP期刊。同时入选“中国最具国际影响力学术期刊”(TOP 5%)。 钻石开放获取,免收作者版面费,双匿评审。

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