2GL双光子灰度光刻技术成为消除台阶效应的光学加工解决方案

纳糯三维科技

2024/05/28 09:47

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斯图加特大学的Harald Giessen课题组研究人员使用Nanoscribe的双光子灰度光刻系统Quantum X加工出了具有优异光学性能的双层透镜（下方左图）。采用非球面面型设计的透镜对聚焦效率有明显提升，并且双层透镜对比单层透镜在时场上有明显提升（下方右图）。

“我们设计、打印和优化了直径为300微米的空气间隔双透镜。优化后，双透镜的顶部透镜残余形状偏差小于100纳米，底部透镜残余形状偏差小于20纳米。我们利用USCF1951分辨率测试图表检查光学性能，发现分辨率达到645线对每毫米。” ---Harald Giessen课题组

在实验中，研究人员引入了传统的双光子聚合技术（2PP)与先进的双光子灰度光刻技术（2GL)之间的比较。采用双光子灰度光刻技术加工出的透镜表面无台阶结构（step free），能够带来优异的光学性能。这是由于传统的双光子聚合技术中光斑大小不能全自动进行调节，导致加工出的透镜表面存在台阶结构，而这是微光器件中不希望看到的，因此即使多次对结构进行迭代优化，始终难以有满意的结果。双层透镜在USCF 1951标准的测试中结果高达645lp/mm，其中300微米口径的透镜PV值测量结果达到100nm，研究人员认为此数值有希望到达20nm。

USAF-1951是目前唯一公认的能够对光学器件进行测量和量化的标准。尽管会受到系统中的镜头、匀光器、CMOS传感器等各组件性能的影响，也会有人眼识别带来的误差，但是透镜的性能瓶颈是能够明显看出的。测试结果是该透镜的分辨率达到645lp/mm，而在网上能搜索到的商用镜头的Z高数值为200lp/mm左右。也就是说这个数值代表了打印的透镜具有优异光学性能，适用于高要求的图像采集系统和显示系统。

上图为使用共聚焦显微镜测试的PV值结果。这个数值反映了透镜设计值与测量值的误差，同时要参考透镜的口径进行评价，测量过程是对双层透镜进行单独测量，上方口径较大的300微米直径的透镜PV值为100nm，下方口径为162微米的透镜PV值为20nm，一般情况下，透镜的口径越大，PV值越难控制。同时，共聚焦测试出空间均方根表面粗糙度为4nm。4nm表面粗糙度和20nm PV值，这两个数值为双层透镜的645lp/mm分辨率提供了基础保证，也证明了双光子灰度光刻技术适用于加工超高精度微光学器件。

双光子灰度光刻技术优势

传统的双光子聚合技术（2PP) 对比其他加工技术的优势在于加工体素的悬空，可以一步打印出不用支架支撑的具有三维复杂结构的微纳器件，如钟摆结构和倒扣结构。这种比较简单的双光子聚合技术利用均一或变化缓慢的光斑在三维空间内逐层移动将结构加工出，这种技术加工出的结构就像金字塔一样具有一个个台阶，这是因为光斑大小没有随结构形状进行快速变化而产生的。

基于传统双光子聚合技术，Nanoscribe公司推出了双光子灰度光刻技术（2GL)。该技术能够将悬空的光斑以1MHz的频率进行4096级调节，软件和硬件上都实现了全自动。结合灰度技术后，由于两个值不再受Z小加工体素的限制，而是依赖于光斑的变化速率与级数，打印结构的形状精度和表面粗糙度可以得到显著提升。

双光子聚合技术和双光子灰度光刻技术的对比。左图为双光子聚合技术，右图为双光子灰度光刻技术

Nanoscribe公司产品应用经理Benjamin Richter分别使用传统的双光子聚合技术（下图左侧）与双光子灰度光刻技术（下图右侧）加工出一个小姑娘模型，来验证台阶效应的消除。这简直是从低分辨率升级到了4K时代。在提升精度的同时，灰度技术还可以显著提升加工速度。4096级光斑大小调节能够以一层加工出灰阶位数为12bit的结构。Nanoscribe的QX平台系列设备比PPGT2的加工速度提升了1个数量级。