【毕业学位论文】(Word原稿)激光直写技术机理及其在三维光子晶体制备过程中的应用-光信息科学与技术

1 摘 要 光子晶体，又称为光子禁带材料，是将不同介电系数的材料在空间按照一定的周期（尺寸在光波长量级）排列所形成的一种人造“晶体”结构。类似于半导体材料中电子在周期性市场作用下形成能带结构，由于受到介电系数周期性的调制，在光子晶体中光子也出现了能带结构，一些特定频率范围的光不能在光子晶体中传播，成为光子禁带。由于其新异的光学特性和广泛的应用前景，有关光子晶体的研究成为近十几年来一个迅猛发展的新型领域。本文从理论上 综述 了光子晶体的物理特性； 介绍 了激光直写技术机理及其在三维光子晶体制备过程中的应用， 并且利用具体实例 介绍 了激光直写技术制备三维光子晶体的方法。主要内容包括以下几个方面： 首先，从光子晶体的概念、特征、应用及研究进展方面简述光子晶体理论；简述了当前制备光子晶体的各种方法。 接着，介绍了激光直写技术的基本理论及最新发展现状，详细介绍了系统的功能、结构和工作方式，对存在的一些问题进行了归纳分析，讨论了系统的应用范围和今后的发展方向。 最后，利用具体 例子 介绍了激光直写方法制备三维光子晶体的 方法 。傅立叶变换红外光谱仪获得的透射和反射光谱也表明，所得到的晶体结构与计算机模拟结果一致。 关键词： 光子晶体 光子禁带 激光直写 三维全息 木堆结构 面心立方结构 目 录 1 引言 . 4 本文的研究内容 . 4 光子晶体概论 . 4 光子晶体的概念 . 4 光子晶体的特征 . 5 光子晶体的应用 . 9 光子晶体的研究进展 . 9 光子晶体的制备方法 . 10 微加工方法 . 10 激光直接写入 . 8 激光全息技术 . 8 层叠方法 . 9 胶体晶体方法 . 9 2 激光直写 技术概述 . 10 激光直写技术的概念及发展历程 . 10 激光直写技术的基本原理 . 10 激光直写系统的光路图及实验装置 . 11 工作平台结构坐标方式的分类 . 11 扫描方式及扫描光束的分类 . 14 数据输入形式的分类 . 15 激光直写技术存在的问题 . 15 机械误差 . 15 光功率控制 . 16 光学邻近效应 . 16 小焦斑、大焦深 . 16 槽形的控制 . 16 轮廓深度与变形 . 17 焦斑整形 . 17 激光直写技术的应用范围 . 17 各种掩模版的制作 . 17 二元光学元件的制作 . 17 激光直写布线技术 . 17 非球面检测 . 10 光变图像器件 . 10 激光直写技术的发展方向 . 10 3 激光直写技术制备三维光子晶体的例子 . 11 备木堆结构的三维光子晶体模板 . 11 飞秒激光双光子光聚合微细加工技术 . 11 飞秒激光双光子光聚合机理 . 11 制备木堆结构三维光子晶体模板的实验装置 . 12 制备木堆结构三维光子晶体的工艺流程 . 20 在扫描电子显微镜下的图像显示及分析 . 23 木堆结构光子晶体的频谱分析 . 23 结论 . 24 4 结束语 . 24 致谢 . 26 参考文献 . 27 . 21 1 引言 文的研究内容 光子晶体属于当今世界上新兴的科研领域。我们对于光子晶体的研究尚处于起步阶段。本论文旨在简要介绍光子晶体的性质及其发展，重点介绍激光直接写入法在制备三维光子晶体领域的应用。主要的章节安排如下： 第一章，介绍光子晶体的基本概念及其性质与制备方法； 第二章，主要介绍激光直写技术的原理、光路图、实验装置及其应用范围； 第三章，介绍激光直写技术在制备三维光子晶体领域的应用，并举例说明利用飞秒激 光器制备三维光子晶体的原理及主要过程； 第四章，本论文的总结以及对光子晶体制备技术研究的一些展望。 子晶体概论 通过控制电子的运动而发展起来的半导体技术引发了信息行业的一场革命，把我们带入了以电子为载体的信息时代，从真空管到大规模集成电路，引发了人类历史上前所未有的变革。然而在纳米区域内，量子效应及热振动对电子运动状态的影响，限制了半导体技术进一步朝着高速度、高集成化方向的发展，决定了半导体器件的能力基本上已经达到了极限。于是人们转而把目光投向光子，提出了用光子代替电子来作为信息载体的设想。 与电 子相比，光子作为信息传输和处理的载体具有巨大的优越性：光子运动速度快，基于光子的信息传输和处理期间将有比电子器件高得多的运行速度；光子之间不存在相互作用，可以实现并行处理，交叉通过；光子有更多可以利用的资源，如振幅、相位、偏振等，存储信息的能力更高，集成的途径也更多。 利用光子代替电子传递信息，已经成为信息业的梦想之一。随着光纤的使用，我们离梦想已经迈出了可喜的一步，但是信息的输入和输出光线依靠的仍然是传统的电子器件，这大大限制了传输效率。而光子晶体的出现则可能改变这种状况。由光子晶体做成的器件可以如人们所 愿的控制光子的流动，就像半导体中的电子一样。光子晶体的研究不仅仅是光通信领域内的问题，它同时对其他相关产业也将产生巨大的影响。这就是为什么光子晶体越来越引起人们关注的原因。 子晶体的概念 1987 年， 影响时，各自独立地提出了 “ 光子晶体 ” 这一新概念 12。我们知道，在半导体材料中由于周期势场作用，电子会形成能带结构，带与带之间有能隙 (如价带与导带 )。光子的情况其实也非常相似。如果将具有不同介电常数的介质材料在空 间按一定的周期排列 (如图1)，由于存在周期性，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的 “ 光子禁带 ” (频率落在禁带中的光是被严格禁止传播的 (如图 2)。如果只在一个方向具有周期结构，光子禁带只可能出现在这个方向上。如果存在三维的周期结构，就有可能出现全方位的光子禁带，落在禁带中的光在任何方向都被禁止传播。我们将具有光子禁带的周期性电介质结构称为光子晶体(绝大多数光子晶体都是人工设计制造出来的，但是自 然界也存在光子晶体的例子，如蛋白石、蝴蝶翅膀等。 图 1 光子晶体空间结构示意图 图 2 光子禁带示意图 子晶体的特征 光子晶体的最根本特征是具有光子禁带，落在禁带中的光是被禁止传播的，因此光子晶体又被称为光子带隙材料。对于在所有方向上任意偏振模式都存在的光子带隙，称之为完全带隙，反之则称为不完全带隙或赝带隙。 出 1：光子晶体可以抑制自发辐射。我们知道，自发辐射的几率与光子所在频率的态的数目成正比。当原子被放在一个光子晶体里面，而它自发辐射的光频率正 好落在光子禁带中时，由于该频率光子的态的数目为零，因此自发辐射几率为零，自发辐射也就被抑制。反过来，光子晶体也可以增强自发辐射，只要增加该频率光子的态的数目便可实现。如在光子晶体中加入杂质，光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强 (如图 3)。 图 3 光子禁带对原子自发辐射的影响 （ a）在自由空间；（ b）在光子晶体中（自发辐射被抑制） （ c）在有缺陷的光子晶体中（自发辐射被增强） 光子禁带的出现依赖于光子晶体的结构和介电常数的配比。一般来说，光子晶体中两 种介质的介电常数比越大，入射光将被散射的越强烈，就越有可能出现光子禁带。影响禁带存在的还有一个重要因素：晶体的几何构型。 1990 年，美国的何启明 (陈子亭 ( 组第一个成功地预言了在一种具有金刚石结构的三维光子晶体中存在完整的光子禁带，禁带出现在第二条与第三条能带之间 (如图 4)3。 1991 年在实验室中人工制造了第一块当时认为具有完整禁带的三维光子晶体。在一块高介质材料的底板平面上分布着呈三角点阵的空气洞，以偏离中心轴 (与底板垂直 )35 度的方向对 每个空气洞钻眼 3 次，这 3 次钻入方向彼此夹 120 度角 (如图 5)。从三维来看，这是一种面心立方结构 4。但是后来的研究表明，这种结构不存在绝对禁带。天然的具有完整禁带的三维光子晶体在自然界非常少，为了获取符合我们要求的光子晶体，通过人工适当地改变一些晶体的对称结构应该是一种可行而且实际有效的方法。 图 4 三维金刚石结构光子晶体光子禁带的计算结果 光子晶体由折射率为 球形介质构成金刚石结构，分布在空气中，介质的填充比（所占空间体积的比）为 c/a， a 是晶格常数， c 是真空光速 图 5 作的三维光子晶体 光子晶体的另一个主要特征是光子局域。 1987 年提出：在一种经过精心设计的无序介电材料组成的超晶格（相当于现在所称的光子晶体）中，光子呈现出很强的域 2。如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，和缺陷态频率温和的光子有可能被局域在缺陷位置，一旦偏离缺陷处光就将迅速衰减。当光子晶体理想无缺陷时，根据其边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。但是，一旦晶体原有的对称性被破坏，在光子晶体的禁带中央就可能出现频宽极窄的缺陷态 如图 3（ c） 。 光子晶体有点缺陷和线缺陷。在垂直于线缺陷的平面上，光被局域在线缺陷位置，只能沿线缺陷方向传播。点缺陷仿佛是被全反射墙完全包裹起来。利用点缺陷可以将光“ 俘获 ” 在一个特定的位置，光就无法从任何一个方向之外传播，这相当于微腔。 虽然光子在光子晶体中的运动规律与电子在半导体晶格中运动规律相类似，比如都出现了能带和禁带结构，人们在研究光子晶体是也常常采用固体物理的处理方法，借用了布里渊区、色散关系、布洛赫波等概念来讨论光子的运动规律。但是由于光子是玻色子，电子是费米子，同时考虑电磁波的矢量性，因此光子晶体 中光子与半导体中电子的性质并不完全相同，他们之间的比较如表 1 所示。 表 1 半导体与光子晶体的比较 子晶体的应用 通过上述对光子晶体重要特征的阐述，不难发现光子晶体的应用范围应该是非常广泛的。利用光子晶体具有光子禁带这一基本性质，可以将其用作光子晶体全反射镜和损耗极低的三维光子晶体天线；利用光子禁带对原子自发辐射的抑制作用，可以大大降低因自发跃迁而导致复合的几率，设计制作出无阈值激光器和光子晶体激光二极管；通过在光子晶体中引入缺陷态，可以制造高性能的光子晶体光过滤器、单频率光全反射 镜和光子晶体光波导；如果引入的是点缺陷，则可以制作成高品质因子的光子晶体谐振腔；而二维光子晶体对入射电场方向不同的 振模式的光具有不同的带隙结构，又可以据此设计二维光子晶体偏振片，只要这两种偏振模式的禁带完全错开就可以获得单一模式的出射光，这种偏振光具有很高的偏振度和透射率。当然，综合利用光子晶体的各种性能，还可以有其他更广泛的应用，如：光开关、光放大器、光聚焦器等等。另外，如果用金属、半导体与低介电常数材料组成光子晶体以及无序光子晶体，则都会因为其特殊结构而产生一些特殊性质，从而能够制造出一些新 型光学器件。总而言之，由于光子晶体的特点决定了其优越的性能，因此它既有可能取代大多数传统的 光学产品 ，其前景和即将对经济、对社会发展产生的影响是不可限量的。 子晶体的研究进展 光子晶体的研究已经开展近二十年了，纵观其发展历程，可以将光子晶体研究领域分为如下几个部分： 一、发展光子晶体的理论研究手段，改进计算方法，设计或者优化各种具有完全带隙的光子晶体结构，研究其能带结构及光学特性； 二、实验上制备各种结构的一维二维或三维光子晶体。光子带隙频率从红外、可见到紫外波段的光子晶体，探索各种引入缺陷的工 艺； 三、设计和制备各种基于光子晶体的光学器件，开发光子晶体在集成光学系统，全光网络、 微波 通讯等领域的实际应用。 这三个领域的发展相辅相成、互相促进，而其中三维光子晶体能产生全方向的完全禁带，相比一维、二维光子晶体仅能产生方向禁带，具有更普遍的实用性，因此占据了光子晶体研究中很大的份额。参考诸多公开发表的相关文献，可以发现经过多年的发展和完善，简单媒质简单周期结构三维光子晶体的研究已经相对成熟，该领域正在以器件化为指导，逐步向复杂媒质复合周期结构方向发展，由胶体模板自组装等纯化学制备手段向物理化学方法相融合 的多元技术扩展，其应用领域也由光电子器件、0 步拓展到光学探测、传感等。 子晶体的制备方法 一维光子晶体和二维光子晶体的制备相对比较简单，前者可以利用传统的薄膜技术，交替生长两种或者更多中不同介质材料来制备；而后者可以利用现有的半导体加工工艺，比如激光刻蚀、电子束刻蚀、反应粒子束刻蚀、电化学刻蚀等工艺来制备。图 6 人制备的一种多层聚合物反射镜，这是一种可以提供宽带反射的一维光子晶体器件 5。图 7为 究所用光 i 二维 光子晶体，这种技术可以制备晶格常数为 500 8二维光子晶体，并且很容易在晶体结构中制备出所需要的点缺陷或者线缺陷 6。 图 6 一种多层聚合物反射镜的原子力图像 图 7 利用光 i 二维光子晶体的扫描电镜图像 （ a）中有意制备了点缺陷 （ b）中有意制备了线缺陷 三维光子晶体的制备相对比较困难，尤其是在想让它工作在更短波段的时候。目前，三维光子晶体的制备方法主要有： 加工方法 利用精密加工方法，可以制备晶格常数从毫米到厘米量级的三维光子晶体结构。 例如将氧化铝圆柱或者小球排列成为三维阵列，这些光子晶体只能提供位于微波波段的带隙。图 5 为 人制备出的一种三维光子晶体结构，在一块高介电系数介质材料的底板平面上钻出三角晶格排列的空洞，以偏离底板法线 35 孔 3 次，这三次钻入方向之间彼此夹角 120 ，所获得的光子晶体工作在微波波段。 光直接写入 将激光光束聚焦到感光性树脂材料上，调整激光束的强度，使之在聚焦区域的光强超过材料的感光阈值。这种方法原则上可以快速的制备出任意结构的三维光子晶体。图 8为 人利用激光直接写入技术制备的 “ 木料堆 ” 结构三维光子晶体 7。对于 种结构可以提供相对宽度为 25%的完全带隙。 图 8 利用激光直接写入技术制备的三维光子晶体 光全息技术 激光具有很好的空间相干性，多数激光能在空间形成驻波的周期性图案。图案的形状取决于光束的数量，相对强度和空间取向等，周期取决于所用激光的波长。通过控制激光在感光性材料中形成的干涉图案，就能得到不同空间结构的光子晶体。图 9 人利用激光全息技术制备出的三维光子晶体 8。 图 9 利用激光全息技术制备三维光子晶体 （ a）为激光束的空间配置示意图， （ b）为该配置下制备出的三维周期性结构图 叠方法 这种方法是由 人提出来的，图 10 为他们利用该方法制备的三维光子晶体 9。这种方法采用了逐层叠加的工艺，通过将许多层二维周期性结构叠加在一起构成三维光子晶体。层叠方法需要运用镀膜、光刻和腐蚀等一系列的过程，工艺比较繁琐。 图 10 人利用层叠方法制备的三维光子晶体 图 11 （ a） 光子晶体， （ b）碳材料的反结构三维光子晶体 体晶体方法 在胶体系统中，通过单分散性颗粒的自组装形成三维有序结构是获得可见或更短波段三维光子晶体的有效方法。这种方法主要包括两个过程：单分散性微球的获得及其有序化组装。这种方法工艺相对简单，成本较低，而且利用获得的三维周期结构做模板，填充其 它 高介电系数的 介质 后再将模板移去，能够得到性能更好的光子晶体。图 11 人利用该方法制备的 光子晶体及反结构的碳三维光子晶体 10，其周期在可见光波段。 2 激光直写技术概述 光直写技术的概念及发展历程 激光直写技术 11是随着大规模集成电路发展于 20 世纪 80 年代中期提出的。激光直写是一种制作光刻掩模、衍射元件等的新技术。激光直写技术是将激光刻蚀、声光调制、光束准直以及计算机控制和数据处理等高新技术融为一体的技术。 所谓激光直写，就是利用聚焦的激光光束，由计算机控制声光调制器以及平台的移动，在光刻胶上进行曝光，经过显影后得到所需要的图形。迄今为止，美国、德国、瑞士、加拿大等国家已采用激光直写设备进行二元光学研究并成功研制了该类设备。美国的亚利桑那大学研制了大口径极坐标球基面激光直写系统用于第二面镜的非球面像差检测，德国 海德堡仪器公司研制了光刻面积达 1000系统。国内也有多家单位进行激光直写系统、工艺的研究，浙江大学、中国科学院细微加工光学技术国家重点实验室等在光刻技术、系统特性研究上去的一定的进展，用激光直写设备制作各类光刻掩模，通过多次套刻直接制作二元光学元件等，中科院长春光学精密机械与物理研究所实现了在曲面上的光刻直写。此外，国内还有许多高校和研究单位也在进行双光束激光立体光刻系统，用于制作激光数码光变图像，已经实现设备出口。 光直写技术的基本原理 激光直写是利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实 施变剂量曝光，显影后在抗蚀层表面形成所要求的浮雕轮廓。激光直写系统的基本工作原理是由计算机控制高精度激光束扫描，在光刻胶上直接曝光写出所设计的任意图形，从而把设计图形直接转移到掩模上。激光直写系统的基本结构如图 12 所示，主要有 光器、声光调制器、投影光刻物镜、 像机、显示器、照明光源、工作台、调焦装置、 仪和控制计算机等部分构成。 图 12 激光直写系统基本结构简图 激光直写的基本工作流程 12是：用计算机产生设计的微光学元件或待制作的 数据转换 成直写系统控制数据，由计算机控制高精度激光束在光刻胶上直接扫描曝光；经显影和刻蚀将设计图形传递到基片上。 图 13 激光直写系统制作的样品（ a）光栅（ b）菲涅耳圆环 光直写系统的光路图及实验装置 作平台结构坐标方式的分类 激光直写系统按照工作平台结构坐标的方式可分为：直角坐标方式、极坐标 方式、直角坐标和极坐标组合方式。 直角坐标方式的激光直写系统 13如图 14 所示，将光刻胶基片至于 台上，被聚焦的 光束（ =其进行光栅式扫描并变剂量曝光。 台置于 4个气垫支柱支撑的花岗岩石平台上，由线性马达驱动，并由激光干涉仪精确定位。用声光调制器控制 光束的强度，经物镜聚焦于基片上，对光刻胶进行变剂量曝光。想头可检测物镜聚焦情况，并有压电陶瓷控制实现自动聚焦。该类激光直写系统的典型工作参数如下： 台的滑动范围为 300300态定 位精度 100态定位精度 150涉仪脉冲当量 20光调制器控制激光束强度的变化为 256个灰阶，物镜的放大倍率为 50，焦斑大小 m，写入速度 10mm/s，完成一个 10 3h。 直角坐标方式的激光直写系统是最典型的激光直写系统，常用于大规模集成电路中专用芯片的小批量开打和生产，适合制作各种线性的光学元件，譬如图 2a）所示的光栅。其缺点是对制作具有中心对称的光学元件时速度比较慢，且实际操作起来比较复杂、难以控制。 图 14 直角坐标方式系统 极坐标方式的激 光直写系统 14如图 15 所示， 光束经两声光调制器后，由高数值孔径的物镜汇聚，并由压电陶瓷控制自动聚焦于涂有光刻胶的基片上。当聚焦光斑不动时，回转平台岁气浮转轴匀速旋转，使基片上的一个圆环等剂量曝光（ 数不变），此时曝光圆环的宽度等于聚焦光斑的大小；而一维平台的线性移动可聚焦光斑偏离回转平台的中心，即改变基片上曝光小圆环的半径，从而可对整个基片曝光。大动态范围声光调制器随着一维平台的移动实时调整光束强度，以满足曝光强度的要求。因为当回转平台的转速不变，曝光圆环的半径随一维平台的移动而增大 时，若要得到等剂量的曝光，就只有增大激光束的强度。高速声光调制器龙之激光束强度的变化，以产生256 个灰阶的曝光计量。 图 15 极坐标方式直写系统 直角坐标和极坐标组合的激光直写系统 15，如图 16 所示，避免了单一直写系统的缺点与不足，兼顾了两者的优点，但同时也增加了系统的复杂性。在 2002000直角坐标范围内，以及在 400极坐标范围内，可实现亚微米定位精度的激光直写光刻。 图 16 直角坐标和极坐标组合的激光直写系统 描方式及扫描光束的分类 激光直写系统 按扫描方式可以分为无扫描方式和有扫描方式。最初的激光直写系统采用无扫描的直写方式，后来发展成有扫描的直写方式，逐个图形扫描而无需行程标记。有扫描的激光直写系统是对直角坐标方式的激光直写系统的改进。一个 20 面的多面体以500r/s 的速度旋转，经扫描光学组后使被反射的光束形成 10扫描光束，在 y 方向形成 256 m 的宽度 范围内扫描运动时，被曝光的基片同时在 x 方向上匀速运动，从而合成基片上的任意图形，完成预定的直写设计。由于光线的扫描速度比 台的移动速度快，因而该系统可适当提高直写速度。 按照扫描光束形成的不同可分为单光束方式、双光束方式。单光束扫描激光直写系统是指在胶面上扫描的光束只有一束，通过计算机控制激光束的强度，以对放置在电动平台上的光刻胶直接实施变剂量曝光，从而刻出连续浮雕结构。优点是单一的光束相对来说比较简单，其缺陷是该系统对电子控制和机械的精度要求比较高而且扫描的速度比较慢。以指教坐标方式的激光直写系统为 例，如果系统的写入速度为 5mm/s，完成一个1010频为 500 线对 /光栅曝光需要 2 3h。双光束扫描激光直写系统是指用激光干涉点作为激光直写点，一个点含有数十条干涉条纹，同时条纹的密度可达亚微米，此系统在光刻等间距条纹是较单光束直写系统在工作效率上具有明显的优势，并且基于光栅的衍射原理可以制作出具有体视变化的光变图像。以苏大维格公司研制的双光束激光照排系统（如图 17）为例，利用该系统设计一个 1010光栅，光束聚焦点的直径为 行速度为 40s，仅需 6 ，可见该系统比单光束直写系统速度快的多。 图 17 双光束激光直写系统 据输入形式的分类 数据输入形式有逐点输入和面阵输入。逐点输入是指在计算机控制下按照一定的曝光步距以像素点的形式对光刻胶进行曝光，通过像素见得重叠，可以使所有角和线的边缘平滑，该方式的系统也成为逐像素扫描的激光直写系统。线条的均匀性 与选择的曝光步距有关，系统在光刻的过程中，曝光布局大小的选取由所写图形的线条宽窄和对线条边缘平滑性的要求来决定。曝光步距选得越小，像素重叠部分越多，写出的图形线条越平滑，精度越高，但写操作的速度越慢。前面所述的集中激光直写系统可以说都属于逐点扫描直写系统。 最近几年，出现了逐个图形曝光的激光直写系统，其原理如图 2示。这种直写系统利用一个空间光调制器按输入的 形数据对入射光进行高速、高密度的可编程相位调制，在调制器的顶反射层得到一个由众多像素构成的相位图。当由激光光源产生的激光束入射时，通过分光镜 将此相位图映射到基片上，转变为强度调制的图形，完成预定图形的曝光。目前，根据此原理已研制出诸葛图形曝光的直写系统样机。该样机的调制器可以产生 512 464 个像素，每个像素的尺寸为 20 m 20 m，曝光图像的频率可达 130此速率可以在 1h 内完成一个 m 工艺的 100片的曝光。 图 18 逐面积曝光激光直写系统 光直写技术存在的问题 械误差 光刻过程是指放置在电动平台上的光刻胶基片随着电动平台的转动和平移，由声光调制器控制光束的强弱对光刻胶进行变剂量曝光。通常电动平台的定位精度达到微米或亚微米量级。由于惯性、静摩擦、松动等所造成的螺距误差与偏移，将直接影响着系统的性能和光刻元件的质量。如何利用伺服系统通过预补偿的方法实现电动平台的精准定位也是直写技术中需要考虑的问题。 功率控制 激光直写系统常用的光源是 光器，国产的 光器具有过量的噪声输出，其功率欺负可达 6%左右。给期间的加工质量带来误差。此外，在不同半径的环 带上加工时，由于线速度、加工深度等因素的不同需要调节光功率。因此，对 光器功率稳定的控制、噪声的抑制以及实现光强连续可调的研究有着重要的意义。目前，用光功率伺服系统可以起到好的光强控制效果。 学邻近效应 在激光直写过程中，由于直写激光束具有一定的焦斑直径（激光波长为 物镜 的数值孔径为 斑直径约 m），因此该系统一般只能制作 1 m 以上的线条。若加工线条的特征尺寸小于 1 m 时，将出现明显的邻近畸变。引起激光直写邻近效应的主要原因是激光焦斑本身有一定尺寸（爱 里斑分布）。 匀并导致抗蚀剂图形的畸变，限制了直写光刻的分辨率。激光直写光学邻近效应的校正有几种方法，其中缩小激光束的焦斑尺寸和改善焦斑的光强分布式减少临近畸变最直接的方法。 焦斑、大焦深 根据圆孔的夫朗和费衍射理论，当平行光入射到聚焦物镜时，焦斑的大小为爱里斑的直径，它与物镜的数值孔径成反比，焦深与物镜的数值孔径的平方成反比。实际中我们往往需要得到线条较细、具有一定槽深得光学元件，因此要得到小焦斑、大焦深的光束是一对矛盾问题。 形的控制 理论上，槽宽的大小 与聚焦光斑的大小相同。但实验中除了焦斑本身大小外影响槽宽的因素是多方面的，其中曝光强度和扫描速度是决定槽宽的两个主要因素。实验表明：当扫描速度比较快时，由于系统的振动将导致线条边缘的起伏或波动，平台的移动速度越大，激光光束的能量越低，这种现象越明显，因此在最大的平台平移速度下，减少激光的能量，获得高质量的线条边界的可能性也随之减小。要想获得高质量的槽形，必须使曝光强度和扫描速度相匹配，这也是实际应用中经常遇到的一个问题。 廓深度与变形 激光直写技术最大的问题是不能精确的控制轮廓的深度。 加工轮廓的深度与曝光强度、扫描速度、抗蚀剂材料、显影液配方和温度状态以及显影时间等多种因素有关，任何一个因素的改变都会引起轮廓深度误差，目前只能依赖于操作人员的经验和恒定的工作条件来控制深度误差。另外一个是连续轮廓器件共同面临的问题，由于抗蚀剂材料和基地的刻蚀速度不同会引起转移轮廓变形，从而降低了所制作的光学元件的性能。 斑整形 激光直接光刻和离子刻蚀技术结合制作多台阶衍射光学元件中，由于焦斑光强一般类似于高斯分布，所以在基片上的光刻胶经济光直接写入光刻、显影后，常常存在侧壁角，刻蚀出 的台阶也就会出现斜坡。经过多次套刻（包括激光直写光刻）后，由光刻引起的积累误差加大，降低了元件的衍射效率。要解决上述问题，较理想的激光直写焦斑应是陡边、极小的平顶。因此如何获得极小陡边的平顶激光焦斑是非常重要的课题。 光直写技术的应用范围 种掩模版的制作 激光直写系统是用于制作光刻掩模的专用设备，主要用于制作集成电路掩模，0 用于制作二元光学掩模以及光栅、码盘、鉴别率板凳其他特殊图形掩模。 元光学元件的制作 传统的二元光学元件的制作需要多次重复掩模图形的 转印和刻蚀（或薄膜沉积）过程。此外，用台阶行浮雕轮廓近似连续浮雕轮廓，本身就带来误差，要减少这种近似误差，必须增加台阶数目。但随着台阶数目的增加，图形线条变细，对精准度要求提高，加工更困难。采用激光直写的方法制作二元光学元件，因其一次成形且无离散化近似，期间的衍射效率和制作的精度较台阶型器件有较大的提高。另外，利用这种设备生产的二元光学元件能简化望远镜、照相机的光学系统结构，从而减轻其重量，并提高其分辨率。其生产的特种光学元件在民用和军事领域有着极其广阔的前景。 光直写布线技术 当前电 子产品一方面向超大规模集成化、数字化、轻量化发展，另一方面也称小批量、多样化、短时效的趋势。使得传统的印刷电路板制作工艺方法包括光化学发和模板（丝漏）漏印法已越来越不能满足要求。由于激光直写制版技术无需掩模，易于实现柔性化，且加工精度高、速度快、无污染、成本低，因此被认为是最具有工业化前景的柔性布线技术而持续成为国内外的研究热点。激光直写技术还可以修复制备电路板、微电子集成电路时存在的大量短路和缺损，从而大大提高了工作效率。另外，利用与布线一样的激光直写技术还可以在集成电路中十分精密的铺设电阻、电容等微电子 元器件。 球面检测 非球面二面镜特别是对大孔径、高非球面性和具有高精度表面的非球面二面镜的需求悦来越迫切，但由于其加工成本高和光学表面的高精度测量比较困难，因此大大地限制了它的应用于发展，利用激光直写系统可以在球星表面通过光刻的方法制作出具有特定波前的全息测试板，根据参考波前与被测光学表面反射回来的波前相互干涉的条纹图样，就可以判断出二镜面的表面误差。这种测试方法不受震动与观察的影响，因此具有很高的精度与准确性。 变图像器件 双光束激光直写系统是正在发展中的系统， 利用 入技术，改系统能设计制作各种衍射效果的光学可变图像，用于光学防伪领域。 光直写技术的发展方向 到目前为止，逐点曝光的激光直写系统现已基本成熟，而基于空间光调制器的逐个图形曝光的激光直写系统还有待于进一步的完善，在该领域进的行双光束 1 直写的研究也是今后发展的主要方向之一。由于变灰度掩模法所具有的一系列优点，使其适合于快速、大规模地制作高性能、低成本的二元光学器件，因此利用激光直写系统，特别是利用逐个图形曝光的激光直写系统制作高精度的灰度掩模，是今后研究