双光子三维激光直写光刻机实现真三维制造的技术逻辑

　　双光子三维激光直写光刻机是面向纳米级三维结构制备的无掩膜加工装备，依托双光子聚合的非线性光学效应开展加工，摆脱传统单光子光刻只能侧重二维平面加工的局限，能够完成自由度较高的真三维微纳结构制造，为微纳光学器件、微纳流控芯片、片上光互联、微机械等方向提供加工解决方案。杭州玉之泉精密仪器有限公司研发生产的双光子三维激光直写光刻机​MPD系列属于国产设备，划分多个子系列，面向不同的科研与试制需求，设备同时支持自研光刻胶以及市面流通的第三方光刻胶，拓展实际使用场景的广度。

　　双光子三维激光直写光刻机核心加工原理，依靠飞秒激光聚焦之后，只有焦点极小区域同时发生双光子吸收效应，触发光刻胶发生聚合固化，光束穿过光刻胶上层材料的时候不会引发反应，加工只发生在焦点位置，依靠高精度三维位移台配合物镜焦点的位置变化，一层一层完成复杂立体结构的构建，能够制作很多传统二维光刻无法成型的悬空、交错、多孔立体微结构。整套设备内部集成飞秒激光器、高数值孔径聚焦光学组件、高精度三维运动位移台，还有完整的加工控制软件，各个模块相互配合完成整套光刻流程。

　　开展实验工作的时候，基底的选择范围比较宽泛，硅片、石英玻璃、蓝宝石、部分金属衬底都可以作为加工载体，设备配备吸附台、夹持、磁吸等多种衬底固定方式，同时还支持定制化的光纤夹具，应对光纤端面这类特殊位置的三维微结构加工。光刻材料层面，除了厂家自研的多款双光子光刻胶之外，设备也可以兼容SU8系列、AZ系列光刻胶，还能够使用生物相容性水凝胶材料，这也让双光子三维激光直写光刻机可以延伸到生物相关微结构制备工作，例如细胞培养支架等样品的试制。

　　设备自带不少辅助加工功能，高精度寻焦模块可以识别衬底与光刻胶之间界面，完成焦点定位，适配透明、不透明多种衬底材料。软件层面提供脚本功能，用户可以编写自定义加工逻辑；同时具备轮廓壳层填充、自适应层切、矢量加工等智能加工策略，操作人员可以结合三维模型的结构特征选择对应的加工策略，优化成型质量。加工过程中系统可以实时开展焦面监控与激光能量监控，方便使用者掌握设备实时运行状态，锚点标记、倾斜补偿等辅助功能也可以应对衬底轻微倾斜的实际工况，降低样品摆放带来的误差影响。

　　双光子三维激光直写光刻机对实验室环境存在一定的要求，设备建议放置万级洁净等级的实验室，搭配黄光照明，环境温度维持在21‑23摄氏度区间，做好隔振处理，振动扰动会直接破坏纳米级焦点稳定性。电气方面，不同子系列设备功耗存在差异，前期布置场地时要核对供电条件。日常维护过程中，要保护好光学镜头，避免光刻胶挥发物沉积镜片表面，定期完成寻焦、位移台拼接精度的校验。加工结束之后，妥善处理显影废液，按照化学品规范完成废弃物处置。科研工作者使用设备时，需要根据三维模型形貌、光刻胶属性，调试激光功率、扫描路径等工艺条件，逐步迭代得到满足项目需求的三维微纳样品。