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CN110095948A - 一种基于组合dmd的光纤器件数字光刻方法 - Google Patents

一种基于组合dmd的光纤器件数字光刻方法 Download PDF

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CN110095948A
CN110095948A CN201910377307.6A CN201910377307A CN110095948A CN 110095948 A CN110095948 A CN 110095948A CN 201910377307 A CN201910377307 A CN 201910377307A CN 110095948 A CN110095948 A CN 110095948A
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王璐明
张志敏
罗宁宁
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Nanchang Hangkong University
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Nanchang Hangkong University
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Abstract

本发明公开了一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，该方法通过将两个DMD调制的反射光同时通过同一个精缩物镜投影到光纤端面的同一个位置，两个DMD产生主、副数字掩模用以组合控制精缩投影到光纤端面的曝光剂量，涂覆光刻胶的光纤端接收曝光剂量后，经显影、定影、刻蚀后，在光纤端形成微光学器件。本发明通过主副两个DMD形成的组合数字掩模共同调制的曝光剂量分布，突破了单个DMD对曝光剂量的调制量级，可以更好的响应光纤器件中的大曲率结构，从而实现光纤器件精细数字光刻，相比于传统的高能束逐点加工方法，基于组合DMD的数字光刻方法是一种短周期、低成本、高精度的光纤器件加工方法。

Description

一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法
技术领域
本发明涉及光纤器件数字光刻方法技术领域，具体为一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，本发明还涉及相关的系统。
背景技术
光纤作为信息高速公路的基石，受到了极大的关注和重视。在光纤端面加工微结构来形成光纤器件或微小光纤光学系统具有诸如灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强、容易集成等独特优点，因此其在医疗器械、生命科学、通信、电子产业等领域中都显示出越来越重要的应用前景。
近年来，光纤器件的加工制造技术已成为世界范围的研究热点。国内外现有光纤器件微加工技术存在诸如设备昂贵、制作成本高、制作周期长、过程控制复杂等不足之处，阻碍了这些技术的产业化发展。加工技术的低效高成本已成为制约光纤器件批量化产业生产乃至整个信息产业发展的瓶颈问题。因此，寻求短周期、低成本、高精度的光纤器件微加工技术是本发明立项的出发点，本发明基于空间光调制器（SLM）的数字光刻技术提出了一种基于主、副两个组合数字微镜设备（DMD）的光纤器件数字光刻方法，可为光纤器件的产业化加工提供新的技术途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤器件数字光刻方法，以解决目前光纤器件微加工技术存在的设备昂贵、制作成本高、制作周期长、过程控制复杂等难题。该方法通过两个DMD产生主、副数字掩模用以组合控制精缩投影到光纤端面的曝光剂量，涂覆光刻胶的光纤端接收曝光剂量后，经显影定影刻蚀后，在光纤端形成微光学器件。
为实现上述目的，本发明提供一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，包括：
步骤一：将两个DMD调制的反射光同时通过同一个精缩物镜投影到光纤端面的同一个位置，两个所述DMD分别形成主、副数字掩模；
步骤二：每个所述DMD配三个LED光源，分别为所述紫外LED、红色LED和绿色LED，所述紫外LED、红色LED和绿色LED可依次按需要转动至光路中提供光源给对应的DMD；
步骤三：曝光制作前需进行调焦，调焦时所述主数字掩模对应的DMD配红色LED光源，所述副数字掩模对应的DMD配绿色LED光源，通过显微镜实时监测光纤上形成的图形，用以指导控制系统调整光纤的位置；
步骤四：曝光制作时，将所述主、副数字掩模图形精缩投影到涂覆光刻胶的光纤端面上曝光，经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光纤端光刻胶上形成微结构。
步骤五：将步骤四当中所述微结构再经湿法刻蚀后可在光纤上形成微结构器件。
在上述的基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法中，步骤一中所述主数字掩模用来曝光形成小曲率部分的结构，所述副数字掩模专用来曝光优化制作大曲率部分的结构。
在上述的基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法中，所述主、副数字掩模所对应的DMD自身结构类型是相同的，在硬件结构上没有主副之分。
在上述的基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法中，两个所述DMD调制的图形在光纤端面上各像素的空间位置是一一对应的。
在上述的基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法中，步骤四中所述的光刻胶包括可用于光刻制作的正性或负性胶。
在上述的基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法中，步骤五中所述湿法刻蚀进一步可扩展为干法刻蚀。
本发明提供一种光纤端面微光学器件数字光刻系统，应用于包含如前所述的基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，包括：
光纤和夹持光纤的光纤支架；
用于发出光的一号LED光源和二号LED光源；
用于调制光的一号DMD和二号DMD；
用于准直光束的一号准直镜和二号准直镜；
用于反射光的全反镜；
用于将光分为两束的一号分束镜和二号分束镜；
用于投射图形的物镜；
用于实时监测光纤端面的曝光图形的显微镜；
用于将未参与曝光的光吸收的消光器。
在上述的光纤端面微光学器件数字光刻系统中，所述光纤支架固定在三维位移台上。
在上述的光纤端面微光学器件数字光刻系统中，所述一号LED光源和二号LED光源采用相同的结构，均包括紫外LED、红色LED和绿色LED。
在上述的光纤端面微光学器件数字光刻系统中，所述紫外LED、红色LED和绿色LED等间隔分布在可旋转的LED支架上，所述紫外LED、红色LED和绿色LED的分布间隔角度为一百二十度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
主副两个DMD形成的组合数字掩模共同调制的曝光剂量分布，突破了单个DMD对曝光剂量的调制量级，可以更好的响应光纤器件中的大曲率结构，从而实现光纤器件精细数字光刻，相比于传统的高能束逐点加工方法，基于组合DMD的数字光刻方法是一种短周期、低成本、高精度的光纤器件加工方法。
附图说明
图1为本发明的基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法步骤流程图；
图2为本发明实施例的光纤端面微光学器件数字光刻系统示意图；
图中：1、一号LED光源；2、一号准直镜；3、一号DMD；4、全反镜；5、一号分束镜；6、消光器；7、显微镜；8、二号DMD；9、二号准直镜；10、二号LED光源；11、二号分束镜；12、物镜；13、光纤支架；14、光纤；15、三维位移台;
图3为本发明实施例的光纤端面微光学器件数字光刻系统中LED光源部分示意图;
图中：101、紫外LED；102、红色LED；103、LED支架；104、绿色LED。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚-完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明的基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法步骤流程图。
如图1所示，本实施例的基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，将两个DMD调制的反射光同时通过同一个精缩物镜投影到光纤端面的同一个位置，两个DMD调制的图形在光纤端面上各像素的空间位置是一一对应的，两个DMD分别形成主、副数字掩模，主数字掩模用来曝光形成小曲率部分的结构，副数字掩模专用来曝光优化制作大曲率部分的结构，主、副数字掩模所对应的DMD自身结构类型是相同的，在硬件结构上没有主副之分；每个DMD配三个LED光源，分别为紫外LED、红色LED和绿色LED，三个LED可依次按需转动至光路中提供光源给对应的DMD；曝光制作前需进行调焦，调焦时主数字掩模对应的DMD配红色LED光源，副数字掩模对应的DMD配绿色LED光源，通过显微镜实时监测光纤上形成的图形，用以指导控制系统调整光纤的位置；曝光制作时，将主、副数字掩模图形精缩投影到涂覆光刻胶的光纤端面上曝光，光刻胶包括可用于光刻制作的正性或负性胶，经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光纤端光刻胶上形成微结构，再经湿法刻蚀可后可在光纤上形成微结构器件，湿法刻蚀进一步可扩展为干法刻蚀。
图2是本发明实施例的光纤端面微光学器件数字光刻系统示意图，图3为本发明实施例的光纤端面微光学器件数字光刻系统中LED光源部分示意图。
如图2所示，本实施例中以一号DMD3产生主数字掩模，二号DMD8产生副数字掩模为例说明：
一号LED光源1发出的光经一号准直镜2准直后照射到一号DMD3上，经一号DMD3调制的光再由全反镜4反射至一号分束镜5，穿过一号分束镜5和二号分束镜11后由物镜12精缩到光纤14端面；同时，二号 LED光源10发出的光经二号准直镜9准直后照射到二号DMD8上，经二号DMD8调制的光直接入射至一号分束镜5，穿过一号分束镜5和二号分束镜11后由物镜12精缩到光纤14端面；光纤14端面反射两个DMD调制的图形后被物镜12放大，再经二号分束镜11反射后进入显微镜7，在显微镜7的显示终端可实时监测光纤14端面的曝光图形。
曝光制作前先进行调焦，首先将涂覆光刻胶的光纤14夹到光纤支架13上，再将光纤支架13固定在三维位移台15上；一号DMD３和二号DMD8分别输入调焦用的数字掩模图形；一号LED光源1切换至红色LED102，二号LED光源10切换至绿色LED104，通过显微镜7监测到的图形对三维位移台15进行调节。
调焦结束开始曝光制作时，将一号LED光源1和二号LED光源10切换至紫外LED101，由控制器将预先计算好的数字掩模图形分别输入到一号DMD３和二号DMD8，再控制一号LED光源1和二号LED光源10的曝光时间进行光纤器件曝光。
曝光结束后经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光纤14端光刻胶上形成微结构，再经湿法刻蚀可后可在光纤14上形成微结构器件，一号分束镜5下端通过消光器6将未参与曝光的光吸收以免影响显微镜7的监测。
如图3所示为图2所述的LED光源结构示意，一号LED光源和二号LED光源采用相同的结构，紫外LED101、红色LED102和绿色LED104等间隔分布在LED支架103上，当系统需要更换光源时，需一百二十度旋转LED支架103。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，其特征在于方法步骤是：
步骤一：将两个DMD调制的反射光同时通过同一个精缩物镜投影到光纤端面的同一个位置，两个所述DMD分别形成主、副数字掩模；
步骤二：每个所述DMD配三个LED光源，分别为所述紫外LED、红色LED和绿色LED，所述紫外LED、红色LED和绿色LED可依次按需要转动至光路中提供光源给对应的DMD；
步骤三：曝光制作前需进行调焦，调焦时所述主数字掩模对应的DMD配红色LED光源，所述副数字掩模对应的DMD配绿色LED光源，通过显微镜实时监测光纤上形成的图形，用以指导控制系统调整光纤的位置；
步骤四：曝光制作时，将所述主、副数字掩模图形精缩投影到涂覆光刻胶的光纤端面上曝光，经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光纤端光刻胶上形成微结构；
步骤五：将步骤四当中所述微结构再经湿法刻蚀后可在光纤上形成微结构器件。
2.根据权利要求1所述的一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，其特征在于：步骤一中所述主数字掩模用来曝光形成小曲率部分的结构，所述副数字掩模专用来曝光优化制作大曲率部分的结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，其特征在于：所述主、副数字掩模所对应的DMD自身结构类型是相同的，在硬件结构上没有主副之分。
4.根据权利要求3所述的一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，其特征在于：两个所述DMD调制的图形在光纤端面上各像素的空间位置是一一对应的。
5.根据权利要求1所述的一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，其特征在于：步骤四中所述的光刻胶包括可用于光刻制作的正性或负性胶。
6.根据权利要求1所述的一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，其特征在于：步骤五中所述湿法刻蚀进一步可扩展为干法刻蚀。
7.一种光纤端面微光学器件数字光刻系统，应用于包含如权利要求1-6中任一项所述的一种基于组合DMD的光纤器件数字光刻方法，包括：
光纤和夹持光纤的光纤支架；
用于发出光的一号LED光源和二号LED光源；
用于调制光的一号DMD和二号DMD；
用于准直光束的一号准直镜和二号准直镜；
用于反射光的全反镜；
用于将光分为两束的一号分束镜和二号分束镜；
用于投射图形的物镜；
用于实时监测光纤端面的曝光图形的显微镜；
用于将未参与曝光的光吸收的消光器。
8.根据权利要求7所述的一种光纤端面微光学器件数字光刻系统，其特征在于：所述光纤支架固定在三维位移台上。
9.根据权利要求7所述的一种光纤端面微光学器件数字光刻系统，其特征在于：所述一号LED光源和二号LED光源采用相同的结构，均包括紫外LED、红色LED和绿色LED。
10.根据权利要求9所述的一种光纤端面微光学器件数字光刻系统，其特征在于：所述紫外LED、红色LED和绿色LED等间隔分布在可旋转的LED支架上，所述紫外LED、红色LED和绿色LED的分布间隔角度为一百二十度。
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