双光子三维微细加工的进展

　　微细加工是MEMS的关键技术,目前用于微细加工技术的IC工艺和LIGA技术,虽然能实现微器件的批量生产以及用于不同材料(如金属或陶瓷)的微结构加工,但由于它们需要用掩膜曝光工艺,使其在三维复杂结构器件的加工中存在诸多限制.双光子三维微细加工技术是一项集超快激光技术、CAD/CAM技术、光化学材料技术、超高精度定位和控制技术及其它相关技术于一体的新型微细加工方法.从20世纪90年代初发展至今[1],该技术取得了长足的进展.近几年来,双光子三维微细加工已广泛应用于微型机械[2]、光子器件[3]以及生物医学等领域.

　　1　双光子三维微细加工技术

　　早期由于激发光源和其它条件的限制,双光子技术一度未受到重视.随着飞秒激光技术及理论研究的深入,双光子激发技术优势逐步在诸多研究领域得到很好的体现.其技术特点主要体现在以下几个方面.

　　1)双光子跃迁的选择定则不同于单光子.在单光子激励中不可能发生的跃迁有可能通过双光子激发来实现.

　　2)目前,在短波长,尤其是远紫外波段缺乏适用的激光器,且对用于这些波段光束聚焦、传输的光学元器件有很高的性能要求.利用双光子效应,可以用可见光或近红外光来激励那些本来需要远紫外光才能激发的体系.

　　3)双光子激发比单光子激发具有更高的空间分辨率.

　　双光子三维加工技术是一种新型的立体光成型方法.由于成型过程中的光化学反应主要是基于双光子激发原理,因此,与传统的立体光成型技术相比,该技术存在很多优异的特性,如:能实现真正的三维微加工,空间分辨率很高,目前国际上最高分辨率可达几十纳米,无掩膜加工,由于采用飞秒激光为光源,其热影响小.传统的立体光成型技术通过逐层固化光聚合材料来形成微小的三维结构,而双光子三维加工技术则是将激发光引入到被加工材料中,进行直写式加工,典型的加工方法如图1所示.

　　2　三维微结构的双光子微细加工

　　三维微加工能力是双光子微细加工的重要技术特点,由于飞秒激光对材料进行双光子激发具有很高的空间分辨能力,通过对材料进行选择性扫描,可最终实现微结构的三维成型.

　　日本大阪大学的Kawata和Sun等人利用双光子微细加工技术在商用的负性光刻胶SCR500制作出10μm长、7μm高的公牛三维图形[2].实验结果如图2a所示.该研究小组除了采用逐点曝光的扫描方式外,还率先使用轮廓扫描结合2次紫外曝光的方法,极大地提高了器件加工的效率.利用双光子微细加工技术,该研究组还制作了微管道、微链条和微齿轮等一系列三维微结构.其中,利用光镊驱动微弹簧使其发生形变,如图2b所示,测量了该微弹簧的弹性模量[2].