CN101419337A - 用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片及其加工方法，调制片中心为凸起的圆台或圆形平底凹槽，环形平底凹槽与环形凸台间隔排布，所述的凸起的圆台、环形平底凹槽、环形凸台的表面处于同一平面，各环形平底凹槽的深度相同。其调制片的结构参数是依据惠更斯-菲涅尔原理方程推导确定。本发明利用微工艺方法制造获得一种三维压缩超衍射相位调制片，结合激光加工系统参数进行设计安装，用于飞秒激光加工系统的飞秒激光光斑三维压缩，改善光斑形状，提高加工分辨率，相位调制片为光学玻璃材料，具有制造工艺简单、精度高，安装结构紧凑，操作方便等优点，将在激光微纳米加工领域得到广泛的应用。

Description

用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片及其加工方法

技术领域：

本发明属于飞秒激光微纳加工领域，涉及一种通过超衍射相位调制实现聚焦光斑三维压缩的光学器件设计方法及其加工工艺。

背景技术：

据机械工业出版社2006年出版的《工程光学》(第2版)一书第353—355页介绍，由于衍射现象的普遍存在，普通光学系统中，点物或点光源成像后不再是一个理想点，而是在其像面附近拓展成一定的空间光场分布，即成像系统对点物在它像面上所成的像是夫琅和费衍射图样，该衍射图样被称为艾里斑。由瑞利判据知，艾里斑的大小能够反映光学系统的分辨率，艾里光斑半径与光波波长成正比，与物镜数值孔径成反比。但在实际使用中，减小光波波长受到发光材料和激光技术的限制，数值孔径的增大则受到光学材料和光学镜头设计的制约，减小衍射光斑尺寸是非常有限的。

据《飞秒激光双光子三维微细加工技术的研究》(中国科学技术大学博士学位论文，2004年)介绍，在飞秒激光加工系统中，基于双光子吸收的高分子材料的光固化加工中，会聚光斑的光强分布为椭球形，且光斑纵向(光轴)尺寸比横向(焦平面)尺寸大约3倍，不仅使得沿光轴方向的加工分辨率相对较低，同时，也难以有效地应用于诸如双光子三维存储或者高度方向上结构复杂物体的加工。

据美国“Optical Society of America”2004年出版的《APPLIED OPTICS》(Vol.43，No.22August 2004/p4233-4327)介绍，Colin J.R.Sheppard等人对利用在相位型和振幅型平板滤波器进行了理论分析，给出了在横向或纵向克服衍射极限的初步结论，但是未给出其实际应用的方法。

据美国“Optical Society of America”2003年出版的《OPTICS LETTERS》(Vol.28，No.8/April，2003-p607—609)设计了一系列的环形二元相位型光瞳滤波器，解析地推导出了表征滤波器的参数，并提出了一种超衍射连续相位板，以期其超衍射技术的高分辨率性质能在多方面应用，但是，其仅是设计分析计算，未给出设计结果和制造等应用。

据美国“Optical Society of America”2004年出版的《OPTICS LETTERS》(Vol.29，No.23/December，2004-p2746—2748)介绍，周常河等人设计了一种在横向实现超分辨的相位型滤波器，获得了0.8的横向压缩比应用在单层高密度光数据存储中，但是，其是在横向实现超衍射，未能实现三维的超衍射分辨。

据美国“Optical Society of America”2005年出版的《OPTICS EXPRESS》(Vol.13，No.16/August 2005/p6168-6174)介绍，Gibert Boyer等人通过在双光子扫描显微镜的照明光路里插入一个三环的振幅型滤波器获得了准球形的焦斑，在三维成像时获得三个方向相同的成像质量，但是，其幅值调制在需要较大功率的激光微纳加工中难以应用。

据美国“Optical Society of America”2003年出版的《OPTICS LETTERS》(Vol.28，No.1/January 1，2003/-p55-57)和2005年出版的《OPTICS EXPRESS》(Vol.13，No.19/September2005/p7288-7297)介绍，利用在聚焦物镜前设置一个矩形孔隙，并通过对矩形孔尺度的调整来实现对聚焦光斑的三维空间调制，但是其中的幅值调制将严重降低出射光斑的功能，在需要较大功率的飞秒激光加工中难以应用。

据中国2007年出版的《中国科学技术大学学报》(Vol.37，No.7，2007，p748-752)介绍，通过优化设计从理论上得到了二元相位型超衍射光学调制元件，通过在光学调制元件的厚度方向的变化来实现超衍射，但是，其在厚度方向的数纳米量级的变化，在现阶段的制造和测量评价等存在困难，故难以制造来在飞秒激光加工系统中来实现超分辨率的提高。

发明内容

本发明提出一种光斑三维压缩超衍射相位调制片及其加工方法，以在不降低平均光强下，改善光斑形状，提高飞秒激光加工系统的加工分辨率。

本发明的技术方案为：

一种用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片，包括有调制片，其特征在于：其结构为下列二者之一：

(1)、调制片中心为凸起的圆台，所述的凸起的圆台外侧为环形平底凹槽，所述的环形平底凹槽外侧为环形凸台，以此类推，所述的凸起的圆台、环形平底凹槽、环形凸台的表面处于同一平面，各环形平底凹槽的深度相同；

(2)、或者，调制片中心为圆形平底凹槽，圆形平底凹槽外侧为环形凸台，环形凸台外侧为环形平底凹槽，以此类推，所述的圆形平底凹槽、环形凸台、环形平底凹槽的表面处于同一平面，各环形平底凹槽的深度相同；所述的环形凸台、环形平底凹槽的截面均为矩形；

(1)、(2)所述的调制片的结构通过以下计算确定：

利用对惠更斯—菲涅尔原理进行直接衍射积分，计算在一光束通过透镜后，在透镜焦点附近产生的三维衍射光分布的惠更斯—菲涅尔原理方程为下面公式(1)：

$U\left(P\right)=-\frac{2\mathrm{\πi}{a}^{2}A}{\mathrm{\λ}{f}^2}\exp \left[i{\left(\frac{f}{a}\right)}^{2}u\right]{\∫}_0^1{J}_0\left(\mathrm{\υ\ρ}\right)\exp (-\frac{1}{2}\mathrm{iu}{\mathrm{\ρ}}^2)\mathrm{\ρd\ρ}---\left(1\right)$

公式(1)中：“i”为虚数单位，P(u，v)为聚焦点附近的任一点，且有： $u=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\left(\frac{a}{f}\right)}^{2}z;$ $v=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(\frac{a}{f}\right)r,$ “a”为透镜的通光孔径的半径，“λ”为光束的波长，“f”为透镜的焦距，“A”为透镜通光孔径波面上的复振幅，且有，J₀(vρ)为零级贝塞尔函数；代入相关参数就可计算出透镜焦点附近任一点P(u，v)的复振幅U(P)，即为在焦点附近的衍射光强分布艾里斑；

进行超衍射计算，是将透镜前的光束进行相位调制，通过将连续的孔径波面分解成n个不同相位部分，公式(1)转换为对n个相位部分积分的和，超衍射计算公式(2)为：

公式(2)中为透过率函数，A(r)为幅值因子，

为相位因子，通过不同n值的计算在焦点附近获得超衍射光强分布，在尽量减少能量损失的前提下，选取最优的调制环数n值，再将公式(2)代入通用的遗传算法流程，以调制环半径r_i和环形、圆形平底凹槽深度h为优化变量参数，其中

在优化计算得到最优的超衍射分布后，确定调制环半径r_i和平底凹槽深度h，并根据h值的正负来确定调制片中心r₀～r₁之间部分的凸凹性：h值为正值时，其中心r₀～r₁之间部分为凸起的圆台，r₁～r₂之间部分为环形平底凹槽，r₂～r₃之间为环形凸台，以此类推；h值为负值时，其中心r₀～r₁之间部分为圆形平底凹槽，r₁～r₂之间部分为环形凸台，r₂～r₃之间为环形平底凹槽，以此类推。

所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片，其特征在于所述的环形平底凹槽为3-5个。

所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片，其特征在于所述的调制片的材料为K9和石英玻璃材质的光学玻璃。

所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片，其特征在于所述的调制片采用的是折射型的工作方式。

所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片的加工方法，其特征在于：设计专用光刻模板，在光学玻璃基片上利用甩胶匀胶工艺涂附正胶，以预先设计的结构进行对准光刻，并对光刻后玻璃基片进行湿法刻蚀。

所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片的加工方法，其特征在于：所述的湿法刻蚀是利用低浓度氢氟酸浸没方法，通过时间控制法确定环形平底凹槽的刻蚀深度和精度以及表面精度。

所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片的加工方法，其特征在于：所述的湿法刻蚀是选择低浓度的HF溶液，以正性光刻胶为掩膜层进行浸没式湿法刻蚀，用时间控制法决定刻蚀深度和表面质量。

根据实际加工系统有效通光孔径2a和拟选用光学材料的通光特性选取相位片基片的厚度H(大于环形、圆形平底凹槽深度h即可)，用计算得到相位调制片的设计参数的调制环数n，调制环半径r_i，深度h以及选定的有效通光孔径2a和相位片基片的厚度H就可设计出一个超衍射相位调制片，利用微工艺方法实现相位调制片的制造，并结合飞秒激光加工系统参数进行设计安装。

调制片加工好以后，在激光加工系统末级的显微物镜上安装一个专用连接套，三维压缩超衍射相位调制片安装在专用连接套上，实现圆形相位调制片与激光加工系统光束的同轴，实现光斑的三维超衍射相位调制。

综上所述，本发明的三维压缩超衍射相位调制片通过最优化设计计算实现对光束的三维调制，利用微工艺的湿法刻蚀工艺制造出相位调制片，并在激光加工系统中实现同轴安装。具有以下突出的优点：①本发明的超衍射相位调制片是利用直接衍射积分计算，相比通用的归一化计算方法，减少了舍去高次项的计算误差，通过遗传算法的最优化计算，实现了主瓣和旁瓣的光强分别优化，改善了光斑形状，实现了聚焦光斑的三维压缩；②利用微工艺的湿法刻蚀加工方法，并通过有效的参数控制实现相位调制片的制造，加工工艺简单有效，便于实现高精度；③通过在激光加工系统末级的显微物镜上安装一个专用连接套实现相位调制片与激光加工系统光束的同轴，安装方便、快速，结构紧凑，且便于安装精度的控制。

因此，利用本发明可以实现激光光斑的三维压缩，有效改善光斑形状，提高激光加工系统的加工分辨率，同时，圆形轮廓的不同半径、宽度和相等深度的环形凹槽结构构具有制造工艺简单、精度高，安装结构紧凑，操作方便等优点，将在激光微纳米加工领域得到广泛的应用。

附图说明：

图1一种相位调制片的结构图。

(a)、为外形圆形相位调制片的正面视图

(b)、为延中心轴线剖切顺上下箭头方向的左视的剖面图

图2光斑压缩效果理论计算结果。

(a)、为未经相位调制的艾里斑的计算图

(b)、是经相位调制后的光斑的计算图

图3飞秒激光加工系统用相位调制片的三维结构图。

图4相位调制前后的模拟计算光固化加工三维最小分辨率的固化单元的压缩结果。

(a)、是未经相位调制的光固化加工三维最小分辨率的固化单元的计算结果

(b)、是经相位调制片压缩后光固化加工三维最小分辨率的固化单元的计算结果

图5光学玻璃基片相位调制片的微加工流程图。

(a)、是选用K9光学玻璃材料为相位调制片基材1示意图

(b)、是按优化设计得到的参数制作的专用正胶光刻模板2平面图

(c)、是在光学玻璃基片上利用甩胶匀胶工艺涂附正胶3后示意图

(d)、是以玻璃基片与正胶光刻模板的对准后用平行光4的光刻示意图

(e)、是玻璃基片上正胶光刻后显影结构图

(f)、是利用湿法刻蚀方法在玻璃基片上得到的环形沟槽的结构图

(g)、是清洗后得到的三维压缩超衍射相位调制片图

图6微加工后调制片结构实物局部放大测量图(WYKO干涉测量仪)。

图7相位调制片在飞秒激光加工系统中安装示意图。

具体实施方式：

实施例1：

根据超衍射理论，对不同波长和不同光强分布的激光进行相位调制的计算，采用遗传算法和全局优化算法设计了一种波长为800nm，光强为高斯分布的飞秒近红外光的二元相位调制片，相位调制片的结构，及环带数，各环半径以及凹槽尺寸，以线宽压缩为优化目标，计算设计的一种相位调制片结构如附图1，其中图(a)为外形圆形相位调制片的正面视图，图(b)为延中心轴线剖切顺上下箭头方向的左视的剖面图，其中自r₀＝0的圆心至r₁之间部分的阴影为凸起的圆台，r₁～r₂之间部分为环形平底凹槽，r₂～r₃之间的阴影部分为环形凸台，r₃～r₄之间部分为环形平底凹槽，r₄与最大外圆半径a之间阴影部分的为环形平凸台，模拟计算结果如图2所示，其中图(a)为未经相位调制的艾里斑的计算图，其横向分辨率为565nm，图(b)是经相位调制后的光斑的计算图，其横向分辨率为438nm，线宽压缩比为0.77，表明相位调制片实现了高的线宽压缩比。

实施例2：

图3为利用超衍射理论的相位调制技术以及遗传算法和全局优化算法设计的用于飞秒激光加工系统的一种光斑三维压缩的超衍射相位调制片的三维结构图，飞秒激光的波长为790nm，光强为高斯分布，以纵横比为优化目标计算得到的相位调制片为圆形多环结构，环数为4等深度不同宽度的凹槽，凹槽由不同半径圆形构成，其中心为凸起的圆台，临近为一平底凹槽，其外围是一个宽度较窄的环形凸台，再外围是一个平底凹槽，凹槽之外到最大外圆之间为环形凸台，图4为调制前后的模拟计算结果，其中图(a)是未经相位调制的光固化加工三维最小分辨率的固化单元的计算结果，其纵横比为2.8646，图(b)是经相位调制片压缩后的光固化加工三维最小分辨率的固化单元的计算结果，纵横比为2.2794，结果表明对飞秒激光光斑进行三维压缩，纵向压缩比0.84，该相位板在飞秒激光加工系统中的应用将能有效地提高飞秒激光的加工分辨率。

实施例3：

按附图3所示的三维压缩的超衍射相位调制片结构和参数，图5为光学玻璃基片相位调制片的微加工流程图，其中图(a)为选用K9光学玻璃材料为相位调制片基材1，图(b)是按优化设计得到的图3所示参数制作的专用正胶光刻模板2，图(c)为在光学玻璃基片1上利用甩胶匀胶工艺涂附正胶3，图(d)是以玻璃基片1外轮廓为基准与专用正胶光刻模板2进行对准，并覆盖在正胶3上方，利用平行光4进行光刻，图(e)是玻璃基片1上正胶3光刻后显影结构图，图(f)是将图(e)所示的显影结构利用低浓度(5％)氢氟酸浸没方法，通过时间的精确控制在玻璃基片上得到具有环形沟槽的结构，图(g)为清洗后得到的刻蚀深度和表面质量的均较高的三维压缩超衍射相位调制片，如图6所示是利用WYKO干涉测量仪得到的实物局部放大测量图，图7为其在激光加工系统中安装示意结构，水平飞秒激光束5经扩束镜6后，通过平面反射镜7改变为垂直向下出射，在激光微加工末级的显微物镜10上安装有专用连接套9，相位调制片8安装在连接套9中，垂直向下出射的飞秒激光束经相位调制片8的调制后再由显微物镜10进行会聚，在显微物镜10的焦面获得三维压缩的光斑11，通过同轴安装在飞秒激光双光子微细光固化成型系统中，将能有效地实现超衍射加工分辨率。

Claims (7)

1、一种用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片，包括有调制片，其特征在于：其结构为下列二者之一：

(1)、调制片中心为凸起的圆台，所述的凸起的圆台外侧为环形平底凹槽，所述的环形平底凹槽外侧为环形凸台，以此类推，所述的凸起的圆台、环形平底凹槽、环形凸台的表面处于同一平面，各环形平底凹槽的深度相同；

(2)、或者，调制片中心为圆形平底凹槽，圆形平底凹槽外侧为环形凸台，环形凸台外侧为环形平底凹槽，以此类推，所述的圆形平底凹槽、环形凸台、环形平底凹槽的表面处于同一平面，圆形平底凹槽与各环形平底凹槽的深度相同；所述的环形凸台、环形平底凹槽的截面均为矩形；

(1)、(2)所述的调制片的结构通过以下计算确定：

利用对惠更斯—菲涅尔原理进行直接衍射积分，计算在一光束通过透镜后，在透镜焦点附近产生的三维衍射光分布的惠更斯—菲涅尔原理方程为下面公式(1)：

$U\left(P\right)=-\frac{2\mathrm{\πi}{a}^{2}A}{\mathrm{\λ}{f}^2}\exp \left[i{\left(\frac{f}{a}\right)}^{2}u\right]{\∫}_0^1{J}_0\left(\mathrm{\υ\ρ}\right)\exp (-\frac{1}{2}{\mathrm{iu\ρ}}^2)\mathrm{\ρd\ρ}---\left(1\right)$

公式(1)中：“i”为虚数单位，P(u，v)为聚焦点附近的任一点，且有： $u=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\left(\frac{a}{f}\right)}^{2}z;$ $v=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(\frac{a}{f}\right)r,$

“a”为透镜的通光孔径的半径，“λ”为光束的波长，“f”为透镜的焦距，“A”为透镜通光孔径波面上的复振幅，且有A＝A₀exp|²/(2a)²」，J₀(vρ)为零级贝塞尔函数；代入相关参数就可计算出透镜焦点附近任一点P(u，v)的复振幅U(P)，即为在焦点附近的衍射光强分布艾里斑；

进行超衍射计算，是将透镜前的光束进行相位调制，通过将连续的孔径波面分解成n个不同相位部分，公式(1)转换为对n个相位部分积分的和，超衍射计算公式(2)为：

公式(2)中

为透过率函数，A(r)为幅值因子，

为相位因子，通过不同n值的计算在焦点附近获得超衍射光强分布，在尽量减少能量损失的前提下，选取最优的调制环数n值，再将公式(2)代入通用的遗传算法流程，以调制环半径r_i和环形、圆形平底凹槽深度h为优化变量参数，其中

在优化计算得到最优的超衍射分布后，确定调制环半径r_i和平底凹槽深度h，并根据h值的正负来确定调制片中心r₀～r₁之间部分的凸凹性：h值为正值时，其中心r₀～r₁之间部分为凸起的圆台，r₁～r₂之间部分为环形平底凹槽，r₂～r₃之间为环形凸台，以此类推；h值为负值时，其中心r₀～r₁之间部分为圆形平底凹槽，r₁～r₂之间部分为环形凸台，r₂～r₃之间为环形平底凹槽，以此类推。

2、根据权利要求1所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片，其特征在于所述的环形平底凹槽为3-5个。

3、根据权利要求1或2所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片，其特征在于所述的调制片的材料为K9和石英玻璃材质的光学玻璃。

4、根据权利要求1所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片，其特征在于所述的调制片采用的是折射型的工作方式。

5、根据权利要求1所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片的加工方法，其特征在于：设计专用光刻模板，在光学玻璃基片上利用甩胶匀胶工艺涂附正胶，以预先设计的结构进行对准光刻，并对光刻后玻璃基片进行湿法刻蚀。

6、根据权利要求1所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片的加工方法，其特征在于：所述的湿法刻蚀是利用低浓度氢氟酸浸没方法，通过时间控制法确定环形平底凹槽的刻蚀深度和精度以及表面精度。

7、根据权利要求1所述的用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片的加工方法，其特征在于：所述的湿法刻蚀是选择低浓度的HF溶液，以正性光刻胶为掩膜层进行浸没式湿法刻蚀，用时间控制法决定刻蚀深度和表面质量。

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