nanoLAB Transbeam (TRB)

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行业挑战

在激光微纳加工中由于使用了高数值孔径显微镜头来实现纳米级的空间分辨率,两个问题随之而来:

1.由于高分辨率的条件,加工大面积结构需要激光移动很长的距离,因此耗时较长。然而,传统的激光纳米加工技术仅使用单个激光焦点进行线性加工,耗时长、成本高,而且在激光加工过程中,激光和光学元件的不稳定性会严重影响加工效果。同时,由于聚焦点只需要激光输出功率的 1/100,因此会损失很大一部分激光能量。

2.高数值孔径透镜对折射率不匹配造成的像差特别敏感。尤其是折射率相对较高的材料,如蓝宝石、铌酸锂晶体、金刚石和硫基玻璃。像差会严重影响焦斑形状,降低聚焦的峰值功率和分辨率。随着加工深度的增加,像差也会不断累积,最终导致不成型的光斑完全重叠,严重限制了加工深度。

在波导制造过程中,由于其尺寸较大,加工位置在介质材料中相对较深。因此,由折射率不匹配的积累引起的像差畸变对加工结果有很大的负面影响。而且这种影响会随着加工深度的增加而加剧变差。因此,激光焦点整形在微纳和波导的制造中起着关键的作用。

如果没有像差校正,正常的椭圆焦点会被拉长,光斑峰值能量被极度拖低,导致不能正常进行加工。矫正后,焦点恢复正常,加工可以按设计正常进行。随着加工深度的增加,未整形的焦点完全重叠,无法形成需要制造的结构,而焦点整形后,加工结果将产生高质量的点状结构。

 

产品性能

针对这种情况,Innofocus使用空间光调制技术使用相位调制实现光束整形,其能实现的功能包括:

传统的单焦点激光加工既费时又低效,但Innofocus®独特的多焦点并行加工技术提高了工作速度和效率。当激光在晶体中加工周期性阵列结构,每个点的焦点强度可以随意控制。通过调整空间光调制器,焦点阵列和每个焦点的曝光强度可以在一次曝光中被任意选择。

平行制造

1.多焦点阵列平行加工:可以在聚焦区域实现数百个分辨率(衍射极限分辨率)的激光焦点,进行平行加工。加工提速可达两个数量级。同时,平行加工可以进一步避免在长时间加工过程中的激光或者光学元件不稳定造成的缺陷,提高加工均匀性和质量。并进一步的充分使用全部的激光出射功率,最大化激光器使用效率,降低使用成本。

图源自: 林瀚、贾宝华和顾敏.动态生成德拜衍射限制的多焦点阵列用于直接激光打印纳米加工.Opt.Lett., 36(3):406-408 (2011).

畸变补偿

2.通过相位调制实现像差校正:根据加工材料的折射率分布(包括双折射晶体)和所需加工的深度,计算所需要的相位调制,实现像差校正。提高了在不同深度加工的均匀性和所能加工的深度,充分利用材料的3D体积,加工更厚的结构。

焦点整形

3.传统的单焦点激光加工既耗时又低效,而Innofocus®独特的多焦点加工技术可提高加工速度和效率。激光在晶体中以周期性阵列结构进行加工,每个点的焦点强度可随意控制。通过调节空间光调制器,可以在一次曝光中任意选择焦点阵列和每个焦点的曝光强度。

根据所需的焦点形状塑造焦点:例如,加工光波导时通常需要圆形截面。然而,传统的激光焦点会产生椭圆形截面,不利于降低波导的传输损耗。Innofocus 使用相位(或振幅)调制来获得圆形对称焦点。它提高了加工结构的对称性,可用于制造高透射率光波导和其他需要高均匀性的不同结构。

图源:Benjamin P. Cumming 苏坎塔 德巴马, Barry Luther-Davis和Min Gu. 用高数值孔径物镜同时补偿三维激光纳米加工中的像差和轴向伸长。 Opt.快报 21 (16), 19135-19141 (2013); doi:10.1364/oe.21.019135

通过光相位调制进行偏振控制

进一步的,通过光束整形Innofocus还可以实现不同偏振态的切换(如圆偏振,到椭圆偏振,到线偏振的连续调制),甚至可以产生空间个点独立调控的偏振态形式,如径向偏振态和切向偏振态等。通过偏振调制控制聚焦光场的偏振分布,实现光与物质相互作用的精细控制。通过TransBeam模组,Innofocus赋予使用者前所未有的使用灵活性,可以进一步提高加工质量,空间分辨率,以及先进的光场调控。