在先進材料、微型化器件和集成微系統需求日益增長的今天，能夠可靠制造復雜、多尺度、三維架構的技術變得至關重要。然而，傳統的3D激光納米制造技術因常規成像光學元件的視場限制，在通向大規模化的道路上面臨著吞吐量、鄰近誤差和拼接缺陷的根本性挑戰。

近期，Songyun Gu，Chenkai Mao等人發表于《自然》雜志題目為《3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination》取得了突破性研究進展，展示了一種可擴展的3D納米制造技術。該技術利用濱松的LCOS-SLM加超透鏡陣列相結合并行的進行了大范圍、高精度的3D雙光子光刻，將寫入場區域擴展到厘米級，特征尺寸低至113nm。

濱松LCOS-SLM(型號 X15213-02R)在此系統中的關鍵作用主要有兩點，第一個主要功能是通過光路的設計加算法實現振幅調制功能，其設計光路如下圖所示，屬于相位-振幅型調制光路，垂直偏振的飛秒激光經過擴束和PBS后，通過一個1/4波片變成圓偏振光直接打到SLM上，基于瓊斯矩陣算法(具體算法公式請參考原文)實現對光的控制，SLM加載相位調制完，再通過兩個1/4波片形成水平偏振和強度調制的光，然后通過4f系統打在超透鏡陣列上。SLM通過算法的切換，實現像素級的激光的開關功能。另外該光路在4f系統的第一個透鏡的聚焦位置，放置了一個真空腔，其目的是為了防止超短脈沖激光在空氣中產生電離。

第二主要功能是進行陣列聚焦光斑的均勻性校正。雙光子光刻是一種高度敏感的非線性過程。由于顯微鏡系統與超透鏡的數值孔徑不匹配，強度測量的精度不足以實現高質量的并行雙光子光刻。為解決此問題，在上一步獲得的相位圖基礎上，進一步通過微調空間光調制器相位值，打印一系列方塊圖案。打印完成后，統計成功打印的方塊數量，并將其作為直接依據來確定能確保各聚焦光斑強度均勻的精確空間光調制器相位值，如附圖3所示。

圖1 LCOS-SLM調制光路及原理

圖2 LCOS-SLM與超透鏡結合飛秒雙光子刻寫原理圖

圖3 通過LCOS-SLM調節實現灰度打印

隨著更大規模的超透鏡陣列、更先進的SLM技術以及更強大的飛秒激光器的商用化，這種并行化概念有望將吞吐量提升至每秒百億個體素以上。濱松LCOS-SLM作為實現光路可編程、過程自適應的核心部件，必將在推動3D納米光刻走向晶圓級生產、賦能微電子、生物醫學等領域的變革性應用中，持續發揮不可替代的關鍵作用。

濱松純振幅調制系統

濱松工程師團隊其強大的算法與光路設計能力，設計了一套基于LCOS-SLM純振幅調制系統，整個系統主要是分為光束擴束、光振幅調節、樣品臺、相機觀測、軟件控制五個部分。

圖4 濱松振幅型調制系統

審核編輯 黃宇