双光子聚合

双光子聚合应用中的FemtoFiber技术

  • 利用双光子聚合进行微加工
  • 高渗透深度
  • 快速加工过程
  • 平均功率 50 .. 500 mW (取决于处理速度)
  • 典型脉冲宽度100 .. 200 fs

亚微米级光刻长期以来被限制于平面物体。1997年,双光子聚合技术的出现使得100纳米范围内三维制造成为可能。从那时起,对用于微纳技术的微型器件如纳米管或支架的需求日渐增长,光刻技术也因此得到快速发展。双光子聚合技术(TPP)可以高于光衍射极限的精度制造任意3D结构,因此很有可能在激光光刻钟发挥关键作用。

作为一种直接激光写入技术,双光子聚合能够实现特征尺寸在100nm量级的复杂三维结构。双光子聚合的关键要素是提供飞秒脉冲的激光,合适的光敏材料(光刻胶),精确定位机械平台以及控制写入流程的电脑。

双光子聚合是一种基于光敏材料(光刻胶)同时吸收两个光子的非线性光学过程。该过程将改变光敏材料,也就是说,它是通过激活光刻胶中所谓的光引发剂来实现聚合反应。这些光引发剂变成自由基,从而局部聚合光刻胶。在随后的步骤中,未聚合的光刻胶将被清洗去除从而展现写出结构。结构材料不仅限于聚合物,例如通过二次化学转化过程可将材料转化为硅。 

双光子吸收需要高光强——这是由高度聚焦的飞秒激光束来实现的。由于双光子吸收强度与光强的平方成正比,双光子吸收仅仅在光束聚焦处发生,从而提供很高的空间分辨率。同样地,光刻胶仅仅在光束的椭圆焦点处发生聚合,被称为“体素”(Voxel, 体积像素Volume Pixel的缩写)。通过利用激光在三维空间内扫描光刻胶可以逐像素“写出”目标结构。在双光子聚合过程中,材料周围的氧气在某种程度上淬灭自由基,使得最小特征尺寸可达100nm左右。双光子聚合的另一个优点是,许多聚合物在近红外波段线性吸收几乎为零,这使得该波段激光可深入渗透到材料中。这两个优点使得其余方法无法实现的纳米结构得以生成。

大量光刻胶的计算机辅助曝光以及日渐成熟的3D铸造技术使得直接激光写入成为许多应用中不可或缺的工具,相关应用方向包括生命科学(例如细胞外基质,芯片实验室等等),(光)电子或光子方向(例如,光子晶体等)

TOPTICA's 的附加价值

双光子聚合的典型激光波长为780nm, 脉冲长度为100至200飞秒,并且输出功率平均为50到500mW。光纤激光由于它紧凑,可靠以及成本效益高的特点成为该应用的首选。脉冲能量越高,写入速度越快,刻写深度越深。TOPTICA的光纤激光器提供多种合适的型号:FemtoFErb 780 (50 mW/100 fs), FemtoFiber pro NIR (140 mW/100 fs) and FemtoFiber ultra 780 (500 mW/150 fs)。他们可以实现之前的紧凑性光纤激光所不能实现的结果。