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干货满满:RMIT贾宝华教授就“智能纳米打印及其使能应用”直播讲座听众问题做精彩答疑
来源: | 作者:topphotonics | 发布时间: 2022-08-17 | 48 次浏览 | 分享到:


7月14日澳大利亚RMIT大学终身教授、美国光学学会会士贾宝华教授受邀在光言万物平台直播了一场研讨会,从激光纳米加工的原理出发,为大家介绍了其技术的关键点和现存挑战,并通过展示不同的加工成功的案例,阐述智能纳米打印对各行业的使能作用及深远影响,最后给出了行业发展方向和亟需解决的关键问题。

“本次直播听众接近2000人,非常火爆,对智能纳米加工和三维折射率原位表征等技术表现出超级浓厚的兴趣,提问非常踊跃。因为直播时间的限制,贾宝华教授未能在直播期间一一解答。会后,贾教授对问题做了详细的、专业的回复,整理如下。


Q

贾老师,您好。请问基于双光子吸收的加工,相对于单光子吸收的加工,最大优势是什么?谢谢。

A

您好,感谢您的问题,这个问题直接切中了基于飞秒激光进行三维微纳加工的核心。与单光子吸收加工的原理相比,基于双光子加工的主要优势有以下几点:

1) 单光子吸收加工只能使用于对于使用的激光波长有线性吸收的光刻胶材料,根据光刻胶的性质实现单光子聚合(反胶,negative photoresist,在显影之后曝光的位置保留,而未曝光的位置被显影液洗掉)或者是单光子断键(正胶,positive photoresist,在显影之后曝光的位置被显影液洗掉,而未显影的位置被保留)。

而基于双光子吸收的加工可以适用于不同类型的材料(材料可以对于该激光波长有线性吸收也可以没有),通过不同的反应机理在不同的材质上进行加工,其可能的加工机理包括以下几点:

A.同样可以用于光刻胶材料实现双光子聚合或者双光子断键。

B.可以通过双光子引发的化学反应进行材料改性,例如光还原和光致氧化。

C.实现材料相变,例如实现从晶态材料到非晶态材料的改变,其最直接的表现就是材料的折射率变化。

D.实现材料剥离和刻蚀,如逐层剥离二维材料,刻蚀金属材料或者半导体材料。

E.在材料内部形成微爆破,实现中空的点或者是线,该点或者是线的周围将形成高密度的壳层。这样可以在材料中形成高折射率差的格点或者波导。

因此,双光子加工的机理更加丰富,可以根据不同的材料和应用需求进行选择。

2) 由于单光子加工要求被加工材料对于该激光波长有线性吸收,因此无法将激光聚焦于材料内部进行三维加工。相比之下,双光子吸收只发生在激光的焦点处(需满足材料阈值的需求),因此可通过将激光聚焦到对于该激光波长没有线性吸收的材料内部,进行三维加工,并具有三维空间分辨率。通过在材料内部扫描加工路径实现任意三维结构的加工。在此基础上即使样品具有层状结构,双光子机理可以实现在材料中任意层的改性或者加工。这种加工方式具有极大的自由度并带来极大的便利。例如,传统的基于单光子机理在加工层状结构时,需要通过预处理,将所需要加工的层暴露在表面以实现单光子的曝光加工,并在加工之后根据保护需求逐层包覆材料。而使用双光子机理不需要预处理及后处理过程,有效的减少加工步骤,缩短加工时间,降低加工成本。

3) 针对同一激光波长,相比于单光子机理,双光子机理具有更高的空间分辨率。例如传统的基于单光子机理的衍射极限的分辨率可以表达为:ds=λ/2NA,其中λ是所使用的激光波长,NA为所使用的聚焦显微镜头的数值孔径。而基于双光子吸收机理,该分辨率则提升为:dt= ds/=λ/2NA. 因此,该分辨率可以提高倍。

综上所述,相比于单光子吸收的使用连续波激光器的加工,基于双光子吸收的基于飞秒激光的加工原理具有:加工机理多、材料丰富、可进行三维加工和高空间分辨率等优势。

Q

老师好,请问怎么实现激光对材料表面的检测追踪?

A


您好,谢谢,这是一个好问题。这里实现激光对于所要加工材料的表面追踪是一个很复杂的问题,同时需要人工智能的视觉识别和有针对性的算法。其涉及到材料本身对于激光的反应(如是否有高反射,或者产生荧光),和材料本身在受到激光照射之后产生的材料改性(如引入的折射率调制和振幅调制)。因此,需要根据不同的材料实现基于不同机理的检查追踪。这里我们举基于氧化石墨烯薄膜的光还原的加工流程为例:首先氧化石墨烯的折射率较高(>1.8),因此可以通过机器视觉探测其反射光的图样来判定激光的焦点是否在氧化石墨烯薄膜的表面,同时根据激光加工引起的振幅调制来看激光焦点是否在氧化石墨烯的表面实现了有效的加工,并通过识别加工分辨率的方式来判断激光焦点是否在最佳的位置。同时,在此基础上这里不仅涉及到软件的判定,还涉及到硬件的设计校准来实现最优的成像质量和最高的成像分辨率。可以说,加工材料的表面追踪是一个系统工程。这仅仅是针对氧化石墨烯材料的,而根据不同的材料的判定条件也需要相应改变,是一个复杂的课题。Innofocus光子科技在这个领域是专家,拥有相关发明专利,有更详细的需求或问题的话,其实也可以向Innofocus的技术部门咨询。


Q

贾老师您好,请问折射率成像是通过什么原理?对材料有没有限制?

A


谢谢您!这个问题估计很多人都比较关心。折射率成像是通过空间光干涉的方法,配合计算全息的方法来定量计算折射率差引起的相位差,从而进一步还原所测量材料的三维折射率分布。由于其需要进行三维空间折射率的测量,首先需要所测量的材料对于所使用的照明激光的波长区域具有高透射率(我了解到Innofocus光子科技目前在照明激光波长方面,有450 nm,488 nm,532 nm,633 nm等波长可选,并可以根据应用需求定制波长)。因此,从原理上来说材料本身只要在照明激光波段是透明的就可以进行折射率成像。而从实际操作角度出发,由于需要高数值孔径透镜(NA>0.5)来实现高空间分辨率,对于所需成像的材料的厚度有一定要求。其材料厚度应当小于2 mm,而且加工的结构到材料表面的距离应当小于成像显微镜头的工作距离(一般<400 µm)。由于在相同材料上使用相同的激光参数加工出来的折射率差及空间分布是相同的,可以在薄片材料上进行折射率成像,定量测定折射率,优化激光加工参数,并在最终所需加工的厚的块体材料上使用最优参数进行加工。这样可以快速优化加工参数,并可以根据应用需求在不同厚度的块体材料上使用。


Q

贾老师,您好。折射率成像的能力,主要面向什么样的材料?跟加工系统中自带相机显示加工过程成像对比,最主要的区别是什么?

A


您好,您的问题切中了折射率成像和普通的CCD原位观察的区别。首先折射率成像的主要能力是观察材料中的三维折射率差的分布(定量精度到0.0001),目前尚无其它的观察方法可以实现相同的功能。其主要是面向在不同的光学透明材料中观察使用飞秒激光加工产生的折射率差,该折射率差在光波导、光纤光栅的应用中有不可替代的重要意义,其可以使用在大量的晶体和非晶体材料中,包括传统的聚合物(如PET、亚克力材质……)、传统光学晶体材料(石英、光学玻璃)、新型光学晶体材料(铌酸锂晶体、蓝宝石、钻石、BGO晶体)。同时可以是任意长方体、立方体及圆柱体形状的材料,还适用于光纤材料。

激光加工系统中自带的相机可以显示加工过程的二维图片,或者是材料的改性(比如光学材料的吸收升高,就显示出来更深的颜色,或者材料被玻璃或者刻蚀所形成的散射,或者高透明度的区域),是一种很有用的实时观察加工过程及结果的方式。然而在观察激光引入折射率差的需求中,该传统方法面临两个挑战:

1)  如果是纯的折射率差变化,其不会引入透射率或者吸收的变化,在该折射率变化完全在焦平面上时是无法清晰分辨的(比如光纤的纤芯与包层的边界在聚焦准确的情况下便无法分辨)。因此,经常需要将引入的折射率差略微移开观察的焦平面,通过观察该折射率差引起的颜色条纹来得到一定的对比度。但是,由于观察的是衍射的像,其线宽很难直接确定,并且将样品刻意离开焦平面虽然有利于观察,但是也会在加工的位置引起些许误差,在对于加工位置的要求不是很精确(允许几百纳米的误差)的情况下是可以使用的。

2) 传统方法无法实现折射率差的三维空间分布的观察。正如第一点所述的,使用传统的观察方法是可以通过衍射图样来看到引入的折射率差的效果,但是衍射图样会随着所加工的位置与焦平面的位置的差值控制,无法完全确定其三维空间分布。

3) 传统方法无法定量测量折射率差。而在光通信器件和光纤光栅中定量的折射率差对于其结构设计和最终器件性能都有决定性的影响。因此,准确测定所加工的结构的三维折射率分布极为重要。这方面,Innofocus光子科技开发了全球首创且唯一的具备原位折射率成像表征能力的智能激光纳米加工系统,可以说是具有划时代意义的一项发明创造,基于他们这项专利发明技术,首次实现了三维折射率差分布的原位表征,是在激光加工领域的根本突破。


Q

我这边网络不好,我想问,这个工艺做微透镜阵列,效果如何?

A


微透镜阵列是这种技术极具优势的应用领域之一。目前比较成熟的制作石英微透镜的工艺是光刻胶制作图形配合刻蚀的方法。这种方法目前面临的问题:

A.灵活性低:透镜的设计通过掩膜板图形确定,无法自由调节。

B.成本高:每次新设计的透镜阵列都需要加工掩模板。

C.测试周期长:由于每次更新设计都涉及加工制作新的掩膜板,加工工艺繁杂耗时长。

D.表面形貌无法精确控制:由于光刻工艺是制作二维图形的工艺,对于制作的透镜的三维形貌无法直接控制。然而,透镜的焦距,成像质量主要取决于透镜的表面形貌。因此,在表面形貌无法准确控制的情况下透镜的焦距及成像质量受到严重影响。

E.无法制作非球面透镜,结合消相差功能:由于其加热形成拱形的方法,根据受热形变均匀分布的原理,其最有可能热稳定形成的表面形貌就是球形,而且无法精确控制。

F.无法制作高数值孔径微透镜:由于加热形成拱形的表面,无法制作曲率半径很小的透镜,实现高数值孔径。因此,成像的分辨率极大地受到限制。

G.均匀性低:由于通过加热控制,每个透镜的曲率取决于施加于该透镜上的温度。而温度的不同将造成曲率的不同,从而影响到焦距。同时,即使温度都相同的情况下,也无法保证每个透镜在加热的条件下都形成相同的曲率变化。因此透镜阵列的均匀性无法保证。

H.需要特殊的光刻胶:这个光刻胶有三个要求:1)对紫外光具有光敏性;2)能够加热形变形成拱形;3)能够抗氩离子刻蚀,实现图形转移。因此,光刻胶的选择受限。

I.成品率低:即使曝光工艺可以实现稳定控制,在加热环节中,其表面形貌在无法准确控制的情况下,其每一个微透镜阵列的质量很难完全一致。这样导致的成品率和重复率都会受到影响。

而使用飞秒激光纳米三维打印技术来加工微透镜阵列具有以下优势:

A.灵活度高:基于激光三维纳米打印技术,不需要掩模板,可以制作任意空间分布的透镜阵列。

B.成本低:由于不需要掩模板制作,激光加工的成本极低。

C.优化耗时短:由于不需要掩模板制作,每一个新的透镜阵列的设计只需生成新的加工文件,因此可以快速优化设计比较。

D.表面形貌精确控制:可以独立控制每一个透镜的表面形貌。激光纳米三维打印技术分辨率高,可以根据需要,结合每一个微透镜的空间位置,来相应的制作该微透镜的表面形貌,进而制作出满足特殊光场分布的微透镜阵列。

E.可以制作非球面消相差透镜:由于激光纳米三维打印技术对结构三维表面形貌的精确控制,可以实现任意设计的微透镜的准确加工。其表面形貌的误差可以控制在几十纳米量级,充分满足应用需求。

F.可以加工曲率半径很小的透镜:实现高数值孔径微透镜的制作,提高成像分辨率。

G. 高均匀性:激光三维纳米打印技术可能实现对每一个透镜的精确加工实现高均匀性。

H.高成品率:在高准确度、高均匀性的基础上,可以实现对微透镜阵列质量的准确控制,实现高成品率。

在此基础上,激光三维纳米打印技术不止可以制作传统的微透镜阵列,还可以制作由新型纯平超透镜(包括石墨烯超透镜和超表面透镜)组成的微透镜阵列,实现超轻超薄的微透镜阵列。


Q

利用空间光调制器来补偿相位,进行像差校正,是否可以实时校正不同深度上的像差?

A


您好,这个问题很好,直指了使用空间光调制器(SLM)来进行像差校正的最大优势。空间光调制器可以动态更新相位图(基本频率~60Hz,而定制款可以高达500Hz)。我们看到Innofocus光子科技的系统产品在光场调制方面有独特的技术优势,比如在加工过程中他们的软件系统可以根据加工的深度(在找到表面之后计算出加工深度)来实时生成校正像差的相位图,并快速更新在空间光调制器上,实现每个加工深度的最优补偿。并且由于在加工过程中,激光焦点位置在三维空间会沿着特定的设计的轨迹运行,可能在不同深度的位置连续移动。我们使用Innofocus软件系统,完成了实时根据焦点所在的深度,在连续行进过程中实时补偿,保证了加工的品质和一致性。


Q

请问对三维的折射率改性进行表征,有哪些可行的方案呢?

A


目前据我们所知,澳大利亚Innofocus光子科技的商用化设备基于其专利技术首次实现了三维折射率差分布的激光纳米加工原位表征功能,是在激光加工领域的根本突破。而传统的通过折射率匹配液的方法进行折射率测量的方法非常费时费力,并且只能进行二维的折射率表征,无法实现三维折射率表征。


Q

贾老师,目前双光子光刻在大面积大尺寸(比如说毫米尺度)器件的制备方面有什么难点吗?

A


您好,首先需要说明一下,这里所述的基于双光子吸收机理的激光纳米三维打印技术在特定的应用领域可以理解为双光子光刻技术(仅在使用光刻胶的情况下,并在使用图形化的光刻胶作为掩膜的刻蚀工艺中,可以理解为光刻技术)。虽然其为激光纳米三维打印的功能之一,但是由于激光纳米三维打印的重要优势之一是加工三维结构,而三维结构一般作为独立的功能器件,而不作为刻蚀掩膜板使用,因为刻蚀技术无法转移三维结构。因此一般激光纳米三维打印不作为光刻技术使用。同时如前面所回答的基于双光子吸收的加工机理有多种优势,其中的一种就是可以直接刻蚀所需加工的材料,因此可以在一步法完成图形化和刻蚀,这样就不需要额外的刻蚀步骤,节省了加工步骤、时间和成本。

使用激光三维纳米打印技术加工大面积的器件首先是需要有大面积的位移台,其行程决定了最终可以加工的器件的面积大小。目前基于空气轴承原理的大面积位移台可以实现1m x 1m 的加工范围,完全可以满足大面积加工的需求。然而这只是必要条件,而只拥有大面积的位移台并不能保证加工出大面积的高质量的光学元器件,尤其是纳米级精度的光学元器件。其中还有两大问题需要解决:

1)  精确保证激光焦点与样品的相对位置。在大面积加工时,只要所需加工的材质的放置有极小的倾斜角度(<0.1°),在大面积移动的过程中,激光的焦点就会偏离设计的加工位置,无法实现精确的加工。而0.1°的角度是基本无法避免的,甚至可能是由于所加工的材料的厚度不均匀造成的。这种倾斜造成的加工误差将极大地影响加工的质量。因此,即使位移台能够满足移动范围的需求,其加工出来的结果也很有可能只有一小块区域可以满足使用的需求。因此,实时追踪样品表面以确定加工位置,在大面积加工中尤为重要。比如Innofocus光子科技的加工系统设备的表面追踪功能,确实是一项很有价值的技术发明,可以保证在整个加工区域内准确定位加工的位置为真正大面积加工微纳光学元器件提供保证。

2)  在此基础上,因为激光纳米三维打印技术的优势是可以实现高分辨率纳米级的加工,因此,在加工过程中需要是用纳米级的线,点或者网格填满所需要的加工区域,这样实际整个加工过程中位移台走过了很长的路程(虽然结构是米级的,加工的路径长达1012 米,这是个天文数字),因此,即使位移台可以在高速移动(0.5 米/秒)整个加工过程要耗费大量的时间,这也成为了目前激光纳米三维打印技术产能的瓶颈。能否具备多焦点技术,将激光的能量充分利用,就成为一项扩展激光纳米三维打印技术的应用领域的关键要素。我们使用过Innofocus光子科技独特的多焦点并行加工功能,根据所需的加工目标,将能量分成了成百上千个焦点进行并行加工,将激光纳米三维打印技术的产能提高了成百上千倍,从原理上实现了大面积加工的突破。


Q

老师您好,像蓝宝石光纤这样大芯径的光纤,如何提高FBG的刻写面积呢?

A


您好,这是个好问题,FBG的刻写面积会影响到最终FBG的性能,尤其是在大芯径的光纤尤其重要。有两种方式可以提高FBG的刻写面积:

1)  传统的不具备光束整形的激光加工系统,可以通过线线(line-by-line)写入的方式来实现大加工面积,其面积决定于激光焦点的长度(沿z方向,也就是光轴方向)和扫过的线段的长度(x或y方向,也就是写线的方向)。如果需要大面积可以用数值孔径(NA)较低的透镜(提高焦点的长度)和写比较长的线(提高写的线段的长度)。这种方法写出来的接近于方形的截面。其确定是写线所需时间相对较长,需要较长加工时间。

2)  我们可以基于Innofocus光子科技系统设备独有的光束整形功能,通过焦点整形将焦点的其中一个维度拉长(垂直于光纤纤芯方向),实现接近圆形饼装焦点,这种方法可以写出圆形的截面。同时,可以根据光纤的纤芯的具体参数直接实现与之相匹配的焦点。这种方法的优势是可以采用速度较快的点点(point-by-point)写入的方式实现FBG的高速加工。


Q

请问贾老师,折射率重构的速度快不?

A


折射率重构包括两个步骤:

1)  采集所需要的不同照明角度的干涉条纹图片;

2)  根据采集的图片进行计算重构出结构的三维折射率分布。Innofocus光子科技的系统设备在这方面做得确实很好,已经完全将过程自动化,在不需要多次采集背景的情况下,可以实现自动的连续图像采集及计算重构,整个过程的总速度取决于计算机的配置。在小型工作站的标准配置下可以达到0.5Hz的实时重构速度。如果使用更加高配置的工作站,速度有可能进一步提升。


Q

贾老师,您好。您在调SLM时,最大能量阈值是多少,其次SLM中心零级怎么处理的?

A


您好。这个要看系统配置。比如,以Innofocus光子技术的标配版本的SLM来看,可以承受的最大功率是800 mW/cm2。因此根据所照射的SLM面积,最大功率为1. 06W。如果进一步使用定制高功率SLM,可以实现2W/cm2, 这样最大的功率可以达到2.654 W。

SLM的中心零级有两种处理方法,取决于使用情景:

1)  直接遮挡法:通过直接遮挡零级而只让+1级的光透过实现。这种方法简单易用,适合大部分光束整形的应用场景。

2)  干涉相消法:通过使用使用相位图在0级的位置产生一个与0级强度相同并且相位相反的焦点,通过干涉相消实现消除0级。该方法比较复杂,而且在多焦点阵列的应用场景可能会与不同的焦点干涉,影响阵列质量。因此,虽然可行但是不推荐。


Q

折射率的原位测量,是否可以实现飞秒激光作用处折射率值的测量,还是只是可以实现折射率的三维重构?


A

这里使用原位三维折射率重构的最重要的目标,就是了解飞秒激光与材料相互作用所产生的折射率差。同时,在激光加工之后实现三维折射率重构不但可以测量飞秒激光作用处所产生的折射率差值,还可以看到激光加工的三维结构的整个具体形貌和空间分布,包括线宽、位置、截面等重要信息。


Q

请问贾老师,表面追踪的速率怎么样?如果分光加工的话,对表面追踪有没有影响呢?

A


表面追踪是实时进行的。需要根据加工的速度来决定其所需要的采样速度和频率,其目标就是通过实时补偿焦点的偏移量,使得加工过程中焦点保持在样品的表面。表面追踪可以进一步地输出焦点的实时位置,这样可以重构整个表面的形貌。这样可以用于设计多焦点加工的整个多焦点阵列的三维位置。

在多焦点的过程如果需要对于每个焦点进行表面追踪的话,就需要实时更新整个多焦点阵列的三维空间分布,从而通过更新相位调制更新多焦点阵列。从原理上是可以实现的,然而这个流程需要计算机进行大量的运算,目前的计算机的能力尚无法实现多焦点阵列的表面实时追踪。


Q

请问贾老师,多焦点并行加工中实际实验中的多焦点的均匀度多少呢?

A


在多焦点加工过程中其焦点的均匀性是实现高质量的平行加工的关键。因此对于均匀性要求极高,通过优化算法可以实现99%以上的均匀性。具体信息可以参阅我们组发表的论文。Lin, H., B. Jia, and M. Gu, Dynamic generation of Debye diffraction-limited multifocal arrays for direct laser printing nanofabrication. Optics letters, 2011. 36(3): p. 406-408.


Q

焦点的实时追踪,主要是通过算法来实现?


A

焦点的实时追踪是通过AI-Vision来实现的。比如Innofocus光子科技为了给AI视觉机器学习提供足够的数据进行模型训练,收集了超过百万张的实时加工图片。



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智能激光3D纳米加工系统是Innofocus的核心产品之一,拥有多项核心发明技术,在光学、机电、算法、自动化软件系统等领域拥有完整的知识产权和自主制造能力。值得说明的是:该系统可集成原位3D折射率成像功能(也可用于独立设备使用)——全球首创且唯一具备此功能的产品,使得该设备具备对纳米加工进行折射率3D成像原位表征能力,以支持精确定量地分析刻写结构(光纤光栅、微光学元件等)的光学特性,实现真正的所见即所得。

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