双光子聚合激光直写系统

分类介绍

一、方案概述

双光子聚合激光直写（TPPLW，Two-Photon Polymerization Laser Direct Writing）系统基于双光子聚合原理，利用飞秒激光脉冲经高数值孔径（NA）物镜在光敏材料内部紧聚焦，在焦点处产生亚衍射极限的聚合“体元”，配合高速扫描振镜与高精度音圈电机/纳米位移台对焦点进行三维控制，可在数百微米尺度内对任意三维结构进行快速、高精度的加工制作。

与逐层叠加的增材制造不同，该系统从根本上消除了“台阶效应”，加工出的微纳器件表面粗糙度低、精度高，广泛应用于微光学、MEMS、生物医学工程、光纤加工与材料科学等领域，是精密制造与微纳加工的理想平台。

图1 双光子聚合激光直写系统整机结构

二、系统原理

（1）双光子聚合原理：当飞秒激光脉冲被高NA物镜紧聚焦时，焦点附近光子密度极高，光敏材料（光刻胶/光敏树脂）可同时吸收两个光子发生聚合反应。由于双光子吸收几率与光强平方成正比，聚合反应被严格限制在焦点附近的极小体积（即“体元”）内。通过精确移动焦点位置，即可在材料内部逐点“写入”任意三维结构，加工分辨率突破衍射极限，最小特征尺寸远小于激发波长。

图2 双光子聚合原理图（能级示意与亚衍射极限体元加工）

（2）系统光路：光纤飞秒激光器（1560 nm）经倍频模块（SHG）输出780 nm飞秒脉冲，依次通过高速光开关/声光调制器（AOM，实现高速通断控制）、脉宽压缩组（啁啾镜对/色散棱镜对补偿负色散）、扩束镜组、扫描振镜（高速XY扫描），最终由浸没式高NA物镜紧聚焦到打印物料上。打印光路竖直布置（与重力方向平行），适配液态光敏材料，保证加工稳定性。

图3 系统光路原理图（光源—高速光开关—脉宽压缩—扩束—扫描振镜—高NA物镜—打印物料）

（3）显微成像：系统与打印光路共用高NA物镜，集成激光共聚焦扫描显微、双光子荧光显微与实时观察系统，支持对金属/半导体/玻璃材料界面的三维表面扫描、精确定位与实时视觉监控，形成“打印—检测—定位”闭环。

三、系统组成与配置

系统由以下功能模块组成（可根据需求定制）：

• 激光光源：1560 nm光纤飞秒种子激光＋倍频模块（SHG，780±10 nm，脉宽<100 fs，重复频率≥80 MHz，平均功率>140 mW，M²≤1.1）；可选517 nm/1035 nm双波长光纤飞秒激光（4 W）及671 nm连续激光；
• 脉宽压缩组：啁啾镜对（DCM）/色散棱镜对，负色散（GDD）补偿范围-700~-16000 fs²连续可调；
• 焦点尺寸控制组：浸没式高NA物镜（NA≥1.4，油浸）、筒镜、扩束镜（2-8×可调）、远心场镜（f-θ镜）；
• 光斑位置控制组：高精度扫描振镜（XY平面）＋高精度音圈电机（Z轴），XY定位精度≤45 nm、重复精度≤25 nm；
• 光路通断控制组：机械快门（≥100 Hz）＋声光调制器AOM（调制速率≥40 MHz，衍射效率≥85%）；
• 显微成像组：激光共聚焦扫描显微（≤480 nm）、双光子荧光显微（450-600 nm）、实时观察系统；
• 精密位移台：压电纳米台（分辨率2 nm，单次扫描300×300×300 μm）或国产气浮三轴台（行程100×100×10 mm，精度±0.35 μm）；
• 光机平台：高稳定性花岗岩平台（00级，平面度优于5 μm）、殷钢/不锈钢光机组件、多自由度微调机构、钣金杂散光屏蔽罩；
• 可选扩展：空间光调制器（SLM，1272×1024像素，平面多焦点≥100个、轴向多焦点≥3层）、卷对卷光纤加工滚轮、电动功率衰减器、功率计/偏振态分析仪等。

四、关键性能指标

指标项	指标值
加工波长	780±10 nm（倍频飞秒）；可选517 / 1035 nm
激光脉宽	<100 fs（780 nm）；<300 fs~10 ps（517 nm）
重复频率	≥80 MHz（780 nm）；1~1 MHz（517 nm）
聚焦光斑	高斯光斑半径≤400 nm
最小线宽	≤30 nm（双光束超分辨）；≤150 nm（单光束）
XY定位/重复精度	≤45 nm / ≤25 nm
Z轴精度/分辨率/重复精度	≤40 nm / ≤20 nm / ≤10 nm
加工幅面	≥415×348×250 μm；可选300×300×300 μm
写入速度	≥1 mm/s（单点直写）
成像分辨率	共聚焦≤480 nm；荧光/观察≤510 nm
环境要求	洁净度Class-1000；振动VC-C/VC-E；温度±2 ℃；湿度40%-50%

五、典型应用

• 微光学器件：微透镜阵列、衍射光学元件、光波导、光子晶体、超表面；
• MEMS器件：微执行器、微传感器、微齿轮、微弹簧；
• 生物医学工程：三维细胞支架/组织工程、微流控芯片、微针阵列、药物递送结构；
• 光纤加工：光纤端面微结构、光纤传感器、卷对卷连续光纤直写；
• 超材料与微纳器件：负折射率超材料、等离激元结构、力学超材料、三维互连结构；
• 材料科学研究：半导体与晶体表面微纳直写、多材料（金属/半导体/玻璃/钙钛矿等）三维加工。

六、服务保障

尚朴光电提供需求分析、光学系统设计与仿真、元器件选型、系统集成、安装调试、操作培训与售后技术支持的全流程服务，可根据加工波长、物镜倍率、位移台行程与加工幅面等需求进行定制化配置。

一、方案概述

双光子聚合激光直写（TPPLW，Two-Photon Polymerization Laser Direct Writing）系统基于双光子聚合原理，利用飞秒激光脉冲经高数值孔径（NA）物镜在光敏材料内部紧聚焦，在焦点处产生亚衍射极限的聚合“体元”，配合高速扫描振镜与高精度音圈电机/纳米位移台对焦点进行三维控制，可在数百微米尺度内对任意三维结构进行快速、高精度的加工制作。

与逐层叠加的增材制造不同，该系统从根本上消除了“台阶效应”，加工出的微纳器件表面粗糙度低、精度高，广泛应用于微光学、MEMS、生物医学工程、光纤加工与材料科学等领域，是精密制造与微纳加工的理想平台。

图1 双光子聚合激光直写系统整机结构

二、系统原理

（1）双光子聚合原理：当飞秒激光脉冲被高NA物镜紧聚焦时，焦点附近光子密度极高，光敏材料（光刻胶/光敏树脂）可同时吸收两个光子发生聚合反应。由于双光子吸收几率与光强平方成正比，聚合反应被严格限制在焦点附近的极小体积（即“体元”）内。通过精确移动焦点位置，即可在材料内部逐点“写入”任意三维结构，加工分辨率突破衍射极限，最小特征尺寸远小于激发波长。

图2 双光子聚合原理图（能级示意与亚衍射极限体元加工）

（2）系统光路：光纤飞秒激光器（1560 nm）经倍频模块（SHG）输出780 nm飞秒脉冲，依次通过高速光开关/声光调制器（AOM，实现高速通断控制）、脉宽压缩组（啁啾镜对/色散棱镜对补偿负色散）、扩束镜组、扫描振镜（高速XY扫描），最终由浸没式高NA物镜紧聚焦到打印物料上。打印光路竖直布置（与重力方向平行），适配液态光敏材料，保证加工稳定性。

图3 系统光路原理图（光源—高速光开关—脉宽压缩—扩束—扫描振镜—高NA物镜—打印物料）

（3）显微成像：系统与打印光路共用高NA物镜，集成激光共聚焦扫描显微、双光子荧光显微与实时观察系统，支持对金属/半导体/玻璃材料界面的三维表面扫描、精确定位与实时视觉监控，形成“打印—检测—定位”闭环。

三、系统组成与配置

系统由以下功能模块组成（可根据需求定制）：

• 激光光源：1560 nm光纤飞秒种子激光＋倍频模块（SHG，780±10 nm，脉宽<100 fs，重复频率≥80 MHz，平均功率>140 mW，M²≤1.1）；可选517 nm/1035 nm双波长光纤飞秒激光（4 W）及671 nm连续激光；
• 脉宽压缩组：啁啾镜对（DCM）/色散棱镜对，负色散（GDD）补偿范围-700~-16000 fs²连续可调；
• 焦点尺寸控制组：浸没式高NA物镜（NA≥1.4，油浸）、筒镜、扩束镜（2-8×可调）、远心场镜（f-θ镜）；
• 光斑位置控制组：高精度扫描振镜（XY平面）＋高精度音圈电机（Z轴），XY定位精度≤45 nm、重复精度≤25 nm；
• 光路通断控制组：机械快门（≥100 Hz）＋声光调制器AOM（调制速率≥40 MHz，衍射效率≥85%）；
• 显微成像组：激光共聚焦扫描显微（≤480 nm）、双光子荧光显微（450-600 nm）、实时观察系统；
• 精密位移台：压电纳米台（分辨率2 nm，单次扫描300×300×300 μm）或国产气浮三轴台（行程100×100×10 mm，精度±0.35 μm）；
• 光机平台：高稳定性花岗岩平台（00级，平面度优于5 μm）、殷钢/不锈钢光机组件、多自由度微调机构、钣金杂散光屏蔽罩；
• 可选扩展：空间光调制器（SLM，1272×1024像素，平面多焦点≥100个、轴向多焦点≥3层）、卷对卷光纤加工滚轮、电动功率衰减器、功率计/偏振态分析仪等。

四、关键性能指标

指标项	指标值
加工波长	780±10 nm（倍频飞秒）；可选517 / 1035 nm
激光脉宽	<100 fs（780 nm）；<300 fs~10 ps（517 nm）
重复频率	≥80 MHz（780 nm）；1~1 MHz（517 nm）
聚焦光斑	高斯光斑半径≤400 nm
最小线宽	≤30 nm（双光束超分辨）；≤150 nm（单光束）
XY定位/重复精度	≤45 nm / ≤25 nm
Z轴精度/分辨率/重复精度	≤40 nm / ≤20 nm / ≤10 nm
加工幅面	≥415×348×250 μm；可选300×300×300 μm
写入速度	≥1 mm/s（单点直写）
成像分辨率	共聚焦≤480 nm；荧光/观察≤510 nm
环境要求	洁净度Class-1000；振动VC-C/VC-E；温度±2 ℃；湿度40%-50%

五、典型应用

• 微光学器件：微透镜阵列、衍射光学元件、光波导、光子晶体、超表面；
• MEMS器件：微执行器、微传感器、微齿轮、微弹簧；
• 生物医学工程：三维细胞支架/组织工程、微流控芯片、微针阵列、药物递送结构；
• 光纤加工：光纤端面微结构、光纤传感器、卷对卷连续光纤直写；
• 超材料与微纳器件：负折射率超材料、等离激元结构、力学超材料、三维互连结构；
• 材料科学研究：半导体与晶体表面微纳直写、多材料（金属/半导体/玻璃/钙钛矿等）三维加工。

六、服务保障

尚朴光电提供需求分析、光学系统设计与仿真、元器件选型、系统集成、安装调试、操作培训与售后技术支持的全流程服务，可根据加工波长、物镜倍率、位移台行程与加工幅面等需求进行定制化配置。

产品特点

• [{"name": "双光子聚合"}, {"name": "亚衍射极限加工"}, {"name": "三维微纳直写"}]