【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微纳精密制造领域及光学仪器设计领域，具体地，涉及一种基于dmd实现双光束时空调制及扫描的打印方法及系统。
技术介绍
1、在微纳三维制造领域，传统的单光束直写刻写技术往往存在不同方面的短板。例如，单束连续光引发单光子聚合反应时往往缺乏三维刻写的能力；飞秒激光引发的多光子聚合效应实现了单光束的三维刻写，但具有极高的光源成本，较差的轴向分辨率；同时不经倍频的飞秒激光波长通常在近红外区，致使其点扩散函数较大，难以实现亚百纳米尺度的高灵活度刻写。
2、利用双光束曝光进行刻写是同时解决上述短板有效方法。文献[opticalmaterials express, 2011, 1(4): 614-624]首次提出了一种基于受激发射损耗（sted）的双光束刻写光刻方案，其光刻胶可以被一路空心光斑抑制聚合反应，并通过另一路实心光斑刻写未被抑制的部分，从而实现超分辨的三维刻写。尽管该技术展示的仍是基于飞秒激光的双光束刻写，但通过三维暗斑的生成技术，其可被应用在基于连续光的单光子刻写中，实现三维刻写。文献[nature, 2020, 588(7839): 620-624]通过两束连续光的交叉曝光实现了高通量的光片三维打印，其中一束375 nm激光以光片的形式侧面投射至光刻胶内，将引发剂激发到活性态，另一束宽带非相干光用投影仪正投影至光片处，引发聚合反应。该技术是双波长曝光在大尺度三维打印中的典型应用，理论上能够被进一步应用于微纳三维制造。文献[nature photonics, 2021, 15(12): 932-938]首次报
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于dmd实现双光束时空调制及扫描的打印方法及系统。本专利技术通过单dmd对两路激光光束进行空间域及时间域的调制，使双光束实现高通量的随机扫描以及对准，同时利用大数值孔径的物镜让双光束实现垂直相交，实现高质量的等效点扩散函数，从而进一步实现三维超分辨打印。
2、本专利技术的具体技术方案如下：一种基于dmd实现双光束时空调制及扫描的打印方法，将第一光束和第二光束分别入射到数字微镜阵列的两个分区，经过衍射后垂直于数字微镜阵列出射；随后经过傅里叶透镜使第一光束和第二光束在空间滤波器所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器滤去多余级次后；然后经过管透镜使第一光束和第二光束平行入射至物镜的后孔阑两侧，再经过物镜分别聚焦至刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
3、进一步地，所述数字微镜阵列上加载振幅调制的二值全息图，从而使扩束准直后的激光光束产生灵活可调的衍射级次；
4、第一光束和第二光束垂直于数字微镜阵列出射由入射角决定，入射角满足方程：；其中，为数字微镜阵列像素的对角线方向周期，为闪耀级次，为激光的波长。
5、进一步地，所述第一光束和第二光束分别入射至数字微镜阵列的两个互不重合的分区，并在两个分区分别加载适用于第一光束和第二光束波长的二值全息图，使两光束在其傅里叶面的衍射级次在空间中对准；
6、双光束衍射级次强度的空间分布应用全息相位回溯迭代算法进行调整，实现任意的空间光强分布。
7、进一步地，根据被刻写介质的不同特征，对所述第一光束和第二光束的调制在时间域和空间域上进行相应设计：
8、所述第一光束和第二光束的衍射级次包括完全重合的图案；还包括对准但不完全重合的图案，用以刻写同时被两个衍射图样所定义的特征；
9、所述第一光束和第二光束在时间上错开，实现双步曝光的刻写需求；其中，第一束光将刻写介质的引发剂电子跃迁至中间态，随后用另一束光使其被完全激发引发聚合反应。
10、进一步地，通过调节物镜入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜以实现双光束在物镜下相交角度垂直。
11、本专利技术还提供了一种基于dmd实现双光束时空调制及扫描的打印系统，包括第一窄带激光源，第二窄带激光源，第一扩束器，第二扩束器，第一光场调制器，第二光场调制器，第一反射镜，第二反射镜，数字微镜阵列，傅里叶透镜，空间滤波器，管透镜，第三反射镜，物镜，位移台；所述数字微镜阵列至少有两个分区；所述第一窄带激光源发出第一光束，经过第一扩束器扩束，随后经过第一光场调制器调制成所需的光场模式，再经过第一反射镜以调整入射角入射至数字微镜阵列的一个分区；所述第二窄带激光源发出第二光束，经过第二扩束器扩束，随后经过第二光场调制器调制成所需的光场模式，再经过第二反射镜以调整入射角入射至数字微镜阵列的另一个分区，所述第一光束和第二光束经过衍射后垂直于数字微镜阵列出射；接着经过傅里叶透镜使第一光束和第二光束在空间滤波器所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器滤去多余级次后，然后经过管透镜使第一光束和第二光束平行并经过第三反射镜入射至物镜的后孔阑两侧，再经过物镜分别聚焦至位移台上的刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
12、进一步地，所述第一光场调制器和第二光场调制器均用于激光的空间光场和相位分布；所述第一光场调制器和第二光场调制器可以不作调制。
13、进一步地，所述数字微镜阵列上加载振幅调制的二值全息图，从而使扩束准直后的激光光束产生灵活可调的衍射级次；
14、所述入射角满足方程：；其中，为数字微镜阵列像素的对角线方向周期，为闪耀级次，为激光的波长。
15、进一步地，还包括控制主机，信号控制器，第一光开关和第二光开关；所述第一光开关设置在所述第一窄带激光源和第一扩束器之间；所述第二光开关设置在所述第二窄带激光源和第二扩束器之间；所述控制主机对所述信号控制器、数字微镜阵列和位移台进行自动化编程，并通过所述信号控制器对所述第一光开关、第二光开关、数字微镜阵列和位移台进行硬件同步。
16、进一步地，通过调节物镜入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜以实现双光束在物镜下相交角度垂直。
17、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
18、1、得益于基于dmd（数字微镜阵列）的二值全息术，本专利技术中的系统具有调制速度快、灵活度高、稳定性高、复杂度低和成本低的优势，具有高商业化潜力；
19、2、得益于单dmd对双光束的同步调制，本专利技术中的系统装置紧凑，双光束的时间和空间耦合度高，刻写通量高（高达32.5khz），适用于三维纳米结构的高速制备；
20、3、得益于双光束垂直相交，本专利技术的有效点扩散函数具有接近1：1的体素纵横比，从而能够克服传统光刻方案的轴向精度较差问题，实现对纳米结构的三维超分辨刻写。
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1.一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印方法，其特征在于，将第一光束和第二光束分别入射到数字微镜阵列的两个分区，经过衍射后垂直于数字微镜阵列出射；随后经过傅里叶透镜使第一光束和第二光束在空间滤波器所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器滤去多余级次后；然后经过管透镜使第一光束和第二光束平行入射至物镜的后孔阑两侧，再经过物镜分别聚焦至刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字微镜阵列上加载振幅调制的二值全息图，从而使扩束准直后的激光光束产生灵活可调的衍射级次；
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一光束和第二光束分别入射至数字微镜阵列的两个互不重合的分区，并在两个分区分别加载适用于第一光束和第二光束波长的二值全息图，使两光束在其傅里叶面的衍射级次在空间中对准；
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据被刻写介质的不同特征，对所述第一光束和第二光束的调制在时间域和空间域上进行
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调节物镜入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜以实现双光束在物镜下相交角度垂直。
6.一种基于DMD实现双光束时空调制及扫描的打印系统，其特征在于，包括第一窄带激光源（3），第二窄带激光源（4），第一扩束器（7），第二扩束器（8），第一光场调制器（9），第二光场调制器（10），第一反射镜（11），第二反射镜（12），数字微镜阵列（13），傅里叶透镜（14），空间滤波器（15），管透镜（16），第三反射镜（17），物镜（18），位移台（19）；所述数字微镜阵列（13）至少有两个分区；所述第一窄带激光源（3）发出第一光束，经过第一扩束器（7）扩束，随后经过第一光场调制器（9）调制成所需的光场模式，再经过第一反射镜（11）以调整入射角入射至数字微镜阵列（13）的一个分区；所述第二窄带激光源（4）发出第二光束，经过第二扩束器（8）扩束，随后经过第二光场调制器（10）调制成所需的光场模式，再经过第二反射镜（12）以调整入射角入射至数字微镜阵列（13）的另一个分区，所述第一光束和第二光束经过衍射后垂直于数字微镜阵列（13）出射；接着经过傅里叶透镜（14）使第一光束和第二光束在空间滤波器（15）所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器（15）滤去多余级次后，然后经过管透镜（16）使第一光束和第二光束平行并经过第三反射镜（17）入射至物镜（18）的后孔阑两侧，再经过物镜（18）分别聚焦至位移台（19）上的刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列（13）上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一光场调制器（9）和第二光场调制器（10）均用于激光的空间光场和相位分布；所述第一光场调制器（9）和第二光场调制器（10）可以不作调制。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数字微镜阵列（13）上加载振幅调制的二值全息图，从而使扩束准直后的激光光束产生灵活可调的衍射级次；
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括控制主机（1），信号控制器（2），第一光开关（5）和第二光开关（6）；所述第一光开关（5）设置在所述第一窄带激光源（3）和第一扩束器（7）之间；所述第二光开关（6）设置在所述第二窄带激光源（4）和第二扩束器（8）之间；所述控制主机（1）对所述信号控制器（2）、数字微镜阵列（13）和位移台（19）进行自动化编程，并通过所述信号控制器（2）对所述第一光开关（5）、第二光开关（6）、数字微镜阵列（13）和位移台（19）进行硬件同步。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，通过调节物镜（18）入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜（18）以实现双光束在物镜（18）下相交角度垂直。
...【技术特征摘要】
1.一种基于dmd实现双光束时空调制及扫描的打印方法，其特征在于，将第一光束和第二光束分别入射到数字微镜阵列的两个分区，经过衍射后垂直于数字微镜阵列出射；随后经过傅里叶透镜使第一光束和第二光束在空间滤波器所在平面形成聚焦的衍射级次，并经过空间滤波器滤去多余级次后；然后经过管透镜使第一光束和第二光束平行入射至物镜的后孔阑两侧，再经过物镜分别聚焦至刻写介质内，形成双光束两两对准并垂直相交的衍射图案；通过变换数字微镜阵列上加载的二值全息图进行三维空间内的随机扫描，实现三维结构的刻写。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字微镜阵列上加载振幅调制的二值全息图，从而使扩束准直后的激光光束产生灵活可调的衍射级次；
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一光束和第二光束分别入射至数字微镜阵列的两个互不重合的分区，并在两个分区分别加载适用于第一光束和第二光束波长的二值全息图，使两光束在其傅里叶面的衍射级次在空间中对准；
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据被刻写介质的不同特征，对所述第一光束和第二光束的调制在时间域和空间域上进行相应设计：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调节物镜入瞳面双光束相对于光轴的距离以及数值孔径匹配的物镜以实现双光束在物镜下相交角度垂直。
6.一种基于dmd实现双光束时空调制及扫描的打印系统，其特征在于，包括第一窄带激光源（3），第二窄带激光源（4），第一扩束器（7），第二扩束器（8），第一光场调制器（9），第二光场调制器（10），第一反射镜（11），第二反射镜（12），数字微镜阵列（13），傅里叶透镜（14），空间滤波器（15），管透镜（16），第三反射镜（17），物镜（18），位移台（19）；所述数字微镜阵列（13）至少有两个分区；所述第一窄带激光源（3）发出第一光束，经过第一扩束器（7）扩束，随后经过第一光场调制器（9）调制成所需的光场模式，再经过第一反射镜（11）以调整入射角入射至数字微...
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