基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统和方法

1.本发明属于光学微纳米结构制备技术领域，尤其涉及一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统和方法。


背景技术：

2.随着微纳光学的发展，微纳光子器件逐步趋向小型化、结构多样化以及高度集成化。如何进一步提高微纳结构的制备一直是一个难题。
3.目前呈现出众多的微纳光子器件制备技术，例如基于飞秒激光的双光子聚合技术、基于微镜阵列结构的单光子聚合技术、电子束光刻技术以及其他先进的制备技术。其中，电子束光刻技术具有极高的精度但加工耗时且成本高；基于微镜阵列结构的单光子聚合技术，通过软件控制实现层层制备，该方法加工速度快且具有微米级的精度；基于飞秒激光的双光子聚合技术作为近年来发展起来的激光加工技术之一，可以突破光学衍射极限实现亚微米尺度任意复杂结构的三维加工，具有其他同类技术无法比拟的优势。通过优化控制以及光敏聚合物参数的改进，目前飞秒激光多光子聚合用于微纳加工已成功实现了纳米尺度的分辨率。然而，其加工尺寸受到一定的限制。若制备毫米级或厘米级且具有微纳精度的器件时，该技术加工相当耗时，少则数小时多则数天才能完成，这严重制约了系统加工高性能光学器件的性能。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的加工技术高精度但加工尺寸受限，以及大加工尺寸但精度相对低下的难题，本发明提出了一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统和方法。本发明利用了多尺度多光子光刻技术，采用两个光学结构，第一光学结构用来提供第一个波长的光，以在光敏聚合物中引发单光子聚合过程；第二个光学结构用来提供第二个波长的光，以在光敏聚合物中引发双光子聚合过程。对待打印的微纳米三维结构的打印数据进行高、低分辨率分割，逐层打印，在保证打印精度的基础上提高了打印速度。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的其中一个目的在于提供一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统，包括支撑结构、基板、光敏聚合物容器池、物镜、第一光学结构、第二光学结构、光学成像装置和控制器；所述的控制器用于控制第一光学结构、第二光学结构的启闭及工作参数，光学成像装置用于获取物镜的成像信息；
7.所述的光敏聚合物容器池固定在支撑结构上，基板通过多轴工作台悬挂在光敏聚合物容器池的正上方，物镜安装在光敏聚合物容器池的正下方，能够实现垂直方向上的移动；所述的第一光学结构发射第一波长的光，通过物镜聚焦在光敏聚合物中，引发单光子聚合；所述的第二光学结构发射第二波长的光，通过物镜聚焦在光敏聚合物中，引发多光子聚合。
8.本发明的第二个目的在于提供一种基于上述系统的微纳米三维结构制备方法，包括以下步骤：
9.1)启动系统，在光敏聚合物容器池中灌装光敏聚合物，通过多轴工作台使得基板沉浸到光敏聚合物容器池中，基板的下底面与光敏聚合物容器池的下底面之间留出待打印空隙；通过光学成像装置实时获取物镜的成像信息；
10.2)获取待打印的微纳米三维结构的模型数据，将模型数据中的低分辨率结构特征数据放入第一个数据组，将模型数据中的高分辨率结构特征数据放入第二个数据组；
11.3)将两个数据组的三维数据按照由底层到顶层的方向进行切片，将第一个数据组中的低分辨率结构特征数据转换为图像图案及对应的层值，作为单光子光刻数据；所述的图像图案对应于用于形成低分辨率结构的光图案；
12.将第二个数据组中的高分辨率结构特征数据转换为写入序列及对应的层值，作为多光子光刻数据；所述的写入序列对应于用于形成高分辨率结构的轮廓；
13.4)控制第一光学结构开启，根据单光子光刻数据发射最底层的图像图案对应的光图案，通过光学成像装置的成像信息，调节物镜在垂直方向上的位置，所述的光图案经过物镜后，聚焦于光敏聚合物容器池底部的透氧薄膜，聚焦区域即为待打印的区域，使得基板与光敏聚合物容器池之间预留的待打印空隙中的光敏聚合物在聚焦区域中发生聚合，该层对应的低分辨率结构打印成型，关闭第一光学结构；
14.5)控制第二光学结构开启，根据多光子光刻数据发射最底层的写入序列对应的双光子光，按照写入序列对应的轨迹逐点打印，其中双光子光经过物镜后，聚焦于光敏聚合物容器池底部的透氧薄膜，聚焦点即为待打印的点，使得基板与光敏聚合物容器池之间预留的待打印空隙中的光敏聚合物在聚焦点处发生聚合，移动聚焦点，直至该层对应的高分辨率结构打印成型，关闭第二光学结构；
15.6)通过多轴工作台将基板上移，基板的下底面与光敏聚合物容器池的下底面之间留出待打印空隙；重复步骤5)和步骤6)，直至遍历两个数据组中的所有数据，微纳米三维结构制备完成，通过多轴工作台将基板从光敏聚合物容器池中移出，取出打印件，关闭系统。
16.与现有技术相比，本发明的优势在于：本发明结合多尺度多光子光刻技术，采用两个光学结构，第一光学结构用来提供第一个波长的光，以在光敏聚合物中引发单光子聚合过程；第二个光学结构用来提供第二个波长的光，以在光敏聚合物中引发双光子聚合过程。对待打印的微纳米三维结构的打印数据进行高、低分辨率分割，逐层打印，在保证打印精度的基础上提高了打印速度。
17.本发明还提出了一种高分辨率结构数据的进一步处理方法，将大于一定长度尺度的高分辨率结构数据进一步分割，将脱壳处理后的壳数据被放入高分辨率数据组，与余数相关联的数据(即体数据)被放入低分辨率数据组。这种方法确保了三维物体高分辨率结构特征的再现，同时保持了与单光子光刻相同的更快的打印速度。
18.本发明将基板浸在光敏聚合物容器池中，可用于执行连续液体界面制造过程，并配合光学成像装置准确找到光敏聚合物与容器池中透氧薄膜之间的交界面，保证了打印的精确性和连续性。
附图说明
19.图1为本发明实施例中的一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统的示意图；
20.图2为本发明实施例中的一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备方法的流程示意图；
21.图3为本发明实施例中的控制器结构示意图；
22.图4(a)为本发明实施例中的生成光刻数据的流程示意图；
23.图4(b)为本发明实施例中的生成光刻数据过程中的一些附加操作流程示意图；
24.图5为用利用图3所示的控制器根据光刻数据来控制光学结构的操作流程图；
25.图6为本发明实施例中制备得到的亚波导连接器的显微图像；
26.图7为本发明实施例中制备得到的带有主体支撑体的微型围栏的显微图像；
27.图8本发明实施例中制备得到的微型支架的显微图像；
28.图9本发明实施例中制备得到的微型半球透镜的显微图像；
29.图10本发明实施例中制备得到的曲线波导连接器的显微图像；
30.图11本发明实施例中制备得到的带微环的锥形波导的显微图像；
31.图中：1
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可见光源，2
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分束器，3
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第一二向色镜，4
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第二二向色镜，5
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光电探测器，6
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数字微镜装置，7
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二维振镜，8
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飞秒激光器，9
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物镜，10
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光敏聚合物容器池、11
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基板、12
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多轴工作台，13
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显微镜z平台，14
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可见光束。
具体实施方式
32.下面通过具体实施方式进一步说明。
33.本发明提供了一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统、方法，该系统和方法集成了单光子和多光子聚合技术，在有限的时间内同时制备多分辨率多尺度的三维物体。
34.需要说明的是，要制备的三维物体可以具有多尺度的结构特征，其中高分辨率结构特征包括长度尺度在约100纳米至1微米范围内的结构特征，低分辨率结构特征包括长度尺度在约1微米到约100微米的范围内的结构特征。三维物体可以具有第三种不同长度尺度的结构特征，例如中等分辨率特征，其特征是介于低分辨率和高分辨率结构特征之间的长度尺度。具有多尺度结构特征的三维物体可称为“多尺度三维物体”。
35.本发明提出的基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备系统，包括支撑结构、基板11、光敏聚合物容器池10、物镜9、第一光学结构、第二光学结构、光学成像装置和控制器；所述的控制器用于控制第一光学结构、第二光学结构的启闭及工作参数，光学成像装置用于获取物镜9的成像信息。
36.所述的光敏聚合物容器池10固定在支撑结构上，基板11通过多轴工作台12悬挂在光敏聚合物容器池10的正上方，物镜9安装在光敏聚合物容器池10的正下方，能够实现垂直方向上的移动；所述的第一光学结构发射第一波长的光，通过物镜9聚焦在光敏聚合物中，引发单光子聚合；所述的第二光学结构发射第二波长的光，通过物镜9聚焦在光敏聚合物中，引发多光子聚合。
37.所述的支撑结构用来支撑基板，要在其上制造三维物体，本实施例中的基板可以
采用透明晶片或显微镜载玻片。支撑结构上设置多轴工作台，例如，制作成在三维空间中移动的xyz三轴位移台和角度旋转台构成。对于小型三维物体，可以使用单轴z平台来控制三维物体的高度。对于较大的三维物体，可以借助xy轴位移平台进行制作。此外，可以通过倾斜或旋转平台来调整基板的位置。
38.该系统通过单个物镜将光聚焦到光固化区域，其中第一个光学结构采用一个单波长的光通过物镜聚焦并通过单光子吸收实现光固化，第二个光学结构采用另一个单波长的光通过物镜聚焦并通过多光子吸收实现光固化。光敏聚合物通过第一个光学结构实现一个单光子固化的三维结构，通过第二个光学结构实现一个多光子固化的三维结构，通过重复上述步骤最终完成三维结构的制备。
39.本实施例中，所述的光敏聚合物容器池的底部材质为透氧薄膜，本发明将构成三维物体的光敏聚合物盛放在含有透氧薄膜的容器池中，在浸入模式下，基板浸在光敏聚合物容器池中，由于容器池底部是氧气穿透膜，光刻胶/膜界面的单光子聚合会受到抑制；由于紫外吸收剂的作用，光聚合过程只在一定深度范围内进行(大概300微米)，确保基底在固化的深度范围内。本实施例可用于执行连续液体界面制造(clip)过程。该光敏聚合物包括负性、正性光敏聚合物材料，并且根据所需的三维物体的制造材料，光敏聚合物还可包括其他材料，例如玻璃、陶瓷、金属、半导体颗粒、纳米粒子等。
40.该系统可包括一个显微镜物镜，该物镜可将光聚焦在该光敏聚合物上，从而在其中诱导单光子过程和多光子(例如双光子)过程。该系统还包括两个光学结构，第一个光学结构用来提供第一个波长的光，用于诱导光敏聚合物中的单光子过程；第二个光学结构用来提供第二个波长的光，用于诱导光敏聚合物中的多光子过程。两种波长的光可沿着同一光路穿过照射光敏聚合物，从而同时打印三维物体。
41.需要说明的是，两种光的波长不受特别限制，只要它们能够分别诱导所选光敏聚合物中的单光子和多光子过程即可。光的第一个波长可以位于光谱的紫外部分，而第二个波长可以位于光谱的可见光或近红外部分。同样，两种光学结构也不受特别限制，但需要包括用于产生光的光源、用于引导光的光学组件(二向色反射镜、透镜等)，以及与光源和光学部件相关联的电气部件。两个光学结构之间可以共用光学和电气部件。
42.举例而言，如图1和图2所示，系统的显微镜物镜(例如10倍或20倍物镜)将光聚焦到基板上约200
×
200微米的视场角上。在第一光学结构、第二光学结构和物镜9之间的光路上还设有第一二向色镜3、第二二向色镜4和二维振镜7；由第一光学结构发射的第一波长的图案光依次经过第一二向色镜3、第二二向色镜4后入射至物镜9中，由第二光学结构发射的第二波长的光依次经过二维振镜7、第二二向色镜4后入射至物镜9中。
43.第一个光学结构采用数字微镜装置(dlp4500evm)，用来产生第一个波长(390纳米)的光以产生可调节的二维图案光，第一二向色镜3、第二二向色镜4将图案光引导到物镜上。第二个光学结构采用飞秒激光器，用来产生第二个波长(780纳米)的双光子光，一个二维振镜7(galvox，galvoy)，用于将该光引导到物镜上，并允许聚焦光沿着基板的两个维度进行扫描，能够通过调节二维振镜的角度来改变聚焦点的位置。显微镜物镜聚焦第一个波长的图案光以诱导单光子过程，将第二个波长的光聚焦到一个焦点以诱导双光子过程。
44.系统还包括有其他组件结构。例如，如图1和图2所示，光学成像装置用于在三维物体的制造期间对基板成像，包括可见光源1、光电探测器5和分束器2；由可见光源1发出的可
见光束经分束器2后入射到物镜9中，通过物镜9照射到光敏聚合物容器池10内，返回的光经过分束器2后被反射至光电探测器5中成像。其中，可见光源可采用低相干性的红色(633纳米)led，光电探测器可采用ccd相机。所述的物镜9安装在显微镜z平台上，显微镜z平台用于沿z轴对准物镜，通过对显微镜物镜的z向扫描和对来自可见光源1的干涉条纹的监测，可以准确地确定z轴位置，这在连续液体界面制造过程中很有用，可以找到光敏聚合物与容器池中透氧薄膜之间的交界面。
45.该系统还包括一个控制器，用来控制系统的一个或多个结构。该控制器还可以用于产生在三维物体制造期间需使用的光刻数据。该控制器可以作为单个设备的一部分集成到系统中，也将其分布在多个设备中以实现某个功能，这些设备可以与其它结构有线或无线网络相连。控制器还可包括用于系统数据存储的数据库(未示出)。如图3的说明性实施例所示，控制器包括输入接口、输出接口、通信接口、计算机可读媒体、处理器和应用程序。控制器可以是任何形式的计算机，包括电路板。
46.输入接口提供将信息输入至控制器的接口。输入接口可以与各种输入设备连接，例如键盘、显示器、鼠标、键盘等，以允许用户将信息输入至控制器或在显示器上显示的用户界面中进行操作。输入接口还支持电气连接，以便控制器和系统的其他结构之间的连接。
47.输出接口提供从控制器输出信息的接口。输出接口可以与各种输出设备连接，例如用于输出信息至显示器或打印机。输出接口还支持向系统的其他结构输出信息。
48.通信接口支持使用各种协议、传输技术的设备之间接收和发送数据的接口，通信接口支持有线或无线的传输方式进行通信，数据和信息可以通过通信接口在控制器、数据库、系统的其他结构和/或其他外部设备之间传输。
49.计算机可读媒体是信息的电气存储位置或存储器，以便处理器可以访问这些信息。计算机可读媒体可包括任何类型的随机存取存储器、只读存储器、闪存等，例如磁存储设备、光盘、智能卡、闪存设备等。
50.处理器执行指令。指令可由计算机、逻辑电路或硬件电路执行。因此，处理器可以通过硬件、固件或这些方法的任何组合和/或与软件组合来实现。术语“执行”是运行应用程序或执行指令所要求的操作的过程。指令可以使用一种或多种编程语言、脚本语言、汇编语言编写，处理器执行一条指令，这意味着它执行/控制该指令所要求的操作。处理器与输入接口、输出接口、计算机可读媒体以及通信接口连接以接收、发送和处理信息。
51.应用程序执行与控制系统其他结构相关的操作。这些操作包括生成在三维物体制造期间所使用到的光刻数据、控制基于光刻数据系统的结构等。本发明中描述的操作可以由本专利中包含的指令来控制。这些操作可以使用硬件、固件、软件或这些方法的任何组合来实现。参照图3的说明性实施例，应用程序可以由软件(由计算机可读和/或计算机可执行指令组成)来实现，这些软件存储在计算机可读媒体中并且可由处理器访问，以执行包含应用程序操作的指令。应用程序可以使用一种或多种编程语言、汇编语言、脚本语言等编写。
52.图2中给出了一种基于多尺度多光子光刻技术的微纳米三维结构制备方法的流程示意图，包括：
53.1)启动系统，在光敏聚合物容器池10中灌装光敏聚合材料，通过多轴工作台12使得基板11沉浸到光敏聚合物容器池10中，基板11的下底面与光敏聚合物容器池10的下底面之间留出待打印空隙；通过光学成像装置实时获取物镜9的成像信息，可利用该成像信息观
测打印过程，以及识别打印界面。
54.此处需要说明的是，在制备结构之前，显微镜z平台听过调整物镜的位置来寻找光敏聚合物和透氧薄膜的界面。
55.2)获取待打印的微纳米三维结构的模型数据(stl文件模型)，将模型数据中的低分辨率结构特征数据放入第一个数据组，将模型数据中的高分辨率结构特征数据放入第二个数据组。
56.3)将两个数据组的三维数据按照由底层到顶层的方向进行切片，将第一个数据组中的低分辨率结构特征数据转换为图像图案及对应的层值，作为单光子光刻数据；所述的图像图案对应于用于形成低分辨率结构的光图案。
57.将第二个数据组中的高分辨率结构特征数据转换为写入序列及对应的层值，作为多光子光刻数据；所述的写入序列对应于用于形成高分辨率结构的轮廓。
58.4)控制第一光学结构开启，根据单光子光刻数据发射最底层的图像图案对应的光图案，通过光学成像装置的成像信息，调节物镜9在垂直方向上的位置，所述的光图案经过物镜9后，聚焦于光敏聚合物容器池10底部的透氧薄膜，聚焦区域即为待打印的区域，使得基板11与光敏聚合物容器池10之间预留的待打印空隙中的光敏聚合材料在聚焦区域中发生聚合，该层对应的低分辨率结构打印成型，关闭第一光学结构。本实施例中，通过labview软件控制数字微镜装置中的dmd芯片，生成投影的图案光。
59.5)控制第二光学结构开启，根据多光子光刻数据发射最底层的写入序列对应的双光子光，按照写入序列对应的轨迹逐点打印，其中双光子光经过物镜9后，聚焦于光敏聚合物容器池10底部的透氧薄膜，聚焦点即为待打印的点，使得基板11与光敏聚合物容器池10之间预留的待打印空隙中的光敏聚合材料在聚焦点处发生聚合，移动聚焦点，直至该层对应的高分辨率结构打印成型，关闭第二光学结构；本实施例中，通过声光控制器控制飞秒激光器的开关，实现第二光学结构的功能；通过模拟信号来调节二维振镜的角度，可改变所述聚焦点的位置。
60.6)通过多轴工作台12将基板11上移，基板11的下底面与光敏聚合物容器池10的下底面之间留出待打印空隙；重复步骤5)和步骤6)，直至遍历两个数据组中的所有数据，微纳米三维结构制备完成，通过多轴工作台12将基板11从光敏聚合物容器池10中移出，取出打印件，关闭系统。
61.本发明所述的系统可以包括与图1和图2相比更多或更少的结构，下面参考图4(a)、图4(b)和图5，根据说明性实施例所描述操作，对整个制备流程进一步介绍。在这些图中，可以根据实施例的实际情况增加或减少操作步骤。此外，操作的顺序不被限制。因此，尽管一些操作流是按顺序呈现的，但是各种操作可以以不同的重复、并发顺序来执行。
62.参照图4(a)，在第一步操作中，接收包含所要制造的三维物体的数据的cad文件。cad文件的数据包括表示三维的各种结构特征的数据，例如高分辨率结构特征和低分辨率特征，cad文件可以由用户通过输入接口输入，或者通过从计算机可读媒体或数据库读取而接收。
63.在图4(a)的第二步操作中，将cad文件的数据分为两个数据组，包含三维物体低分辨率结构特征的光刻数据被放入第一个数据组，包含三维物体高分辨率结构特征的光刻数据被放入第二个数据组。
64.如图4(b)所示，将cad文件的数据划分为第一个数据组和第二个数据组需要在划分之前处理表示高分辨率结构特征的数据。具体而言，在第一步操作中，判断表示高分辨率结构特征的数据是否小于预定的长度尺度。如果判定为“是”，则将数据放入第二个数据组。如果判定为“否”，则在第二步操作中，将对数据进行脱壳处理，可使用商用软件进行脱壳。脱壳后的壳数据被放入第二个数据组，与余数相关联的数据(即体数据)被放入第一个数据组。这种方法确保了三维物体高分辨率结构特征的再现，同时保持了与单光子光刻相同的更快的打印速度。
65.返回到图4(a)，在第三步操作中，将第一个数据组的数据沿z轴切片以提供第一组多个层，并且将第二数据组的数据沿着z轴切片以提供第二组多个层。切片可使用商用软件进行。在切片之前，两个数据组的数据表示三维像素。
66.在第四步操作中，将第一个数据组的第一组多个层的每个切片转换为图像图案(例如，24位图像图案)，每个图像图案对应于用于形成低分辨率特征的光图案。所述多个图像图案被称为单光子光刻数据，该数据包括一组图像图案和相关的层值(即，第1层、第2层
……
第n层)。
67.在第五步操作中，将单光子光刻数据输出到为单光子光刻提供光的第一个光学结构，该数据可用于控制三维物体制造期间各种光学结构的运作。
68.在第六步操作中，第二个数据组的第二组多个层的每层被转换成写入序列。每个写入序列对应于用于高分辨率结构特征的光刻数据。所述多个写入序列可被称为多光子光刻数据，该数据包括一组写入序列和相关的层值。
69.在第七步操作中，多光子光刻数据被输出到为多光子光刻提供光的第二个光学结构，该数据可用于控制三维物体制造期间各种光学结构的运作。
70.如上所述，控制器可基于光刻数据控制两个光学结构制造三维物体。该光刻数据可以由上述的控制器生成，也可由外部设备来生成。
71.如图5，根据说明性实施例，示出了基于光刻数据制造三维物体的操作。在第一步操作中，第一个光学结构接收包含一组图像图案和相关层值的单光子光刻数据，而第二个光学结构接收包含一组写入序列和相关层值的多光子光刻数据。
72.在第二步操作中，根据第一个图像图案用第一个波长的光照射光敏聚合物，该照明过程通过单光子光刻在三维物体的第一层内形成了低分辨率特征结构。
73.在第三步操作中，根据第一个写入序列用第二个波长的光照射光敏聚合物，该照明过程通过多光子光刻在三维物体的第一层内形成高分辨率结构特征结构。
74.在第四步操作中，判断光刻数据是否还包含其它的图像图案或写入序列以及相关的层值。如果判定为是，则重复第二步和第三步操作，如果判定为否，则三维物体制造完成。在制造过程中，还包括有在使用第二个波长的光照射期间关闭第一个波长光的光源的操作(反之亦然)，也包括根据层值沿z轴移动基板的操作。
75.相应的，本实施例还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；
76.存储器，用于存储一个或多个程序；
77.当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的微纳米三维结构制备方法。
78.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
79.在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
80.图6至11展示了使用上述系统和方法制造的多尺度三维物体的图像。图6是一个亚波导连接器，图7是一个带有主体支撑体的微型围栏，图8是一个微型支架，图9是一个微型半球透镜，图10是一个曲线波导连接器，图11是一个带微环的锥形波导。在这些图中，“lpp”表示通过单光子光刻制造的部分，“2pp”是指通过多光子光刻制造的部分。
81.通过上述方法，可制造以下类型的结构：聚合物光子传感器(超高频超声检测、化学传感)；用于气体和液体传感的光流体和微流控传感器；聚合物生物传感器；生物医学器件；集成光学电路；有源/功能激光器等。
82.为了达到说明和描述的目的，本发明提供了前述的关于本发明的说明性示例。这并非旨在详尽地叙述本发明或将本发明限制为所叙述的精确形式，可根据上述说明可以进行修改和变更。选择和描述实施例是为了解释本发明的原理，并且作为本发明的实际应用，以使本领域技术人员能够在各种实施例中使用本发明，并且进行特定用途的各种修改。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。