亚波长激光直写技术可用于亚波长结构器件的制作,亚波长结构器件可以用在高分辨成像、航天器和航空器的精确导航、地球及天体引力测量、地形测量、重力探矿、纳米医疗机器人等领域。而且,亚波长直写技术对于突破智能芯片制造瓶颈,推进我国集成芯片自主生产有重要作用。本论文以远场光调制近场光的原理为基础,将涡旋光诱导光致变色材料不透明加入聚焦激光直写系统中,以实现亚波长分辨率的激光直写。使用放大倍率20倍(NA=0.4)的显微物镜,可以将曝光图案的线宽从6614nm压缩到338nm。此系统实现了亚波长分辨率的激光直写,对纳米元件如光波导、光栅和纳米电路的大规模制造提供了有益的方法。波长532nm的激光在经过扩束镜、偏振片、1/4玻片和涡旋相位板后,形成涡旋光,涡旋光与扩束后波长405nnm的激光光束经合束镜合束后完全重合。当圆偏振光的旋向与涡旋相位板的旋向一致时,产生的涡旋光具有暗中空结构。光刻片包括硅基片、光刻胶层和光致变色层。合束光被显微物镜聚焦,激光焦点光斑,包括波长405nnm的聚焦光斑和波长532nm的环形光斑投射在光致变色层中,其中分散着皂黄分子。在聚焦前,两束激光光束扩束至同样直径,具有相等的等效数值孔径,所以聚焦后焦点处的光斑直径相同,光斑完全重合。在光致变色层中,波长405nnm的聚焦光斑呈高斯分布,波长532nm的环形光斑呈中空分布。因为光致变色层受到波长405nm激光照射时其对波长405nnm激光的吸光度逐渐减小,受到波长532nm激光照射时其对波长405nnm激光的吸光度逐渐增大,因此在光致变色层中形成了波长405nm光的通光孔。光刻光(波长405nnm激光)在通过通光孔后对下面的光刻胶层进行曝光,光刻胶可被波长405nnm激光曝光,不能被波长532nm激光曝光。光致变色层中通光孔的直径可以通过调节1532/I405的比值来调节,当比值减小时通光孔直径减小。设计好的图案可以通过计算机控制电动平移台移动得到。另外,因为光刻光呈高斯分布,因此通光孔的直径与涡旋光的功率为非线性关系。光致变色材料吸光度的调制原理基于皂黄的光致异构化。当皂黄被波长405nnm激光照射时,反式结构转化为顺式结构。异构转化导致了吸收光谱的变化,此变化由紫外-可见分光光度计测得。类似地,当皂黄被波长532nm激光照射时,发生了相反的反应过程。另外,将皂黄溶解于PVA浓度8%的水溶液形成皂黄的饱和水溶液,然后将溶液旋涂在光刻胶层上形成400nnm厚的光致变色层。光刻片经过曝光后,样品浸入NaOH水溶液中,皂黄PVA薄膜溶解后光刻胶层被显影。皂黄是一种溶于水的光致变色材料,用于涡旋光诱导不透明激光直写时具有明显优势。首先,在光刻片被曝光后,只需一步即可得到曝光图案。另外,不需要使用丙酮等对人体和环境有害的溶液。总之,将传统的聚焦激光直写和涡旋光诱导光致变色材料不透明结合起来,可以实现亚波长分辨率的激光直写。另外,设计好的图形可以通过计算机控制电动平移台移动来获得。此项技术可以应用于微纳器件,如微纳传感器和微纳探测器的大规模制造。