CN110986761B

CN110986761B - 皮米显微镜

Info

Publication number: CN110986761B
Application number: CN201911127409.9A
Authority: CN
Inventors: 周常河
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2039-11-18
Also published as: CN110986761A; WO2021097921A1

Abstract

一种皮米显微镜包括皮米照明光场产生机构，该皮米照明光场产生机构输出的皮米尺度的光探针照明待测物体，经皮米显微成像透镜、皮米显微探测器得到待测物体的皮米尺度信息。本发明可以开发出皮米光刻、皮米测量、皮米尺度非线性光学技术，开辟皮米飞秒光学、皮米阿秒光学等新兴学科研究方向，广泛地应用于半导体光刻、皮米物理、光与物质在皮米尺度相互作用等多个领域。

Description

皮米显微镜

技术领域

本发明涉及显微镜，特别是一种皮米显微镜，是测量物体皮米尺度分布的装置，应用于皮米光刻、皮米尺度光与物质相互作用，皮米物理等多个领域。

背景技术

皮米尺度的显微测量是科学技术迫切希望攻克的难题，皮米显微测量超越了目前光学超分辨技术的极限。我们知道，利用透镜可以实现显微测量，透镜的分辨率由阿贝公式所决定，也就是和所用的照明波长成正比，与透镜的数值孔径成反比。

实现超过衍射极限的成像技术一直是迫切追求的目标，这个技术叫做超分辨技术。目前有两类超分辨技术最为突出。一类是由Stephen Hall发明的“激发发射损耗(STED)”显微成像技术，这个技术和结构光照明超分辨技术获得了2014年诺贝尔化学奖。另一类技术是表面等离子体基元技术(Surface Plasmon)，它是通过激发表面的等离子体基元实现超分辨。但是这两类技术目前都局限在纳米以上量级，无法突破进入到皮米量级。

我们知道，在大尺寸光栅的研制过程中，采用激光直写技术的光栅测量精度达到了皮米量级。美国麻省理工学院发明了纳米光刻技术(Nanoruler),其中光栅干涉场的周期测量达到了皮米量级。(在先技术1：Chen C G.Beam alignment and image metrology forscanning beam interference lithography:fabricating gratings with nanometerphase accuracy，美国麻省理工学院博士论文,2003)。上海光机所对干涉光栅场周期精度测量也达到了皮米量级(在先技术2：Applied Optics 57,4777-4784(2018))；特别是上海光机所发明的扫描参考光栅技术，对全息干涉场测量得到了皮米精度的实验结果(在先技术3，Applied Optics 58,2929-2935(2019)).

采用在先技术1，2，3，都可以得到干涉场的皮米测量精度。但是，他们都不能直接应用于物体的皮米尺度测量。基于利用不同光栅周期皮米尺度差值实现皮米器件的思想，周常河发明了皮米光梳技术(在先技术4，皮米光梳、皮米光梳的制造装置和制造方法，发明专利申请号：201910368137.9)，也就是利用两个皮米尺度光栅的差值，使每个光栅周期内的开口都以皮米或纳米尺度增加或减少，这为皮米尺度的显微测量提供了有力的工具。

在先技术4发明的皮米光梳确实提供了光栅开口的皮米尺度调制，但不提供皮米显微测量的功能。目前阶段，我们无法保证做出皮米尺度调制的真实物体，特别是连续皮米尺度变化的物体，例如，连续变化光栅开口比的光栅，因为目前没有皮米尺度调制的光刻胶以及相应的显影与定影技术，因此，直接采用在先技术4，很难保证实现皮米显微测量功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种皮米显微镜，其核心是构建出可靠、可控的皮米调制光场，结合光束的调制频率或角度扫描、波长扫描，实现丰富的皮米结构光场，以此扫描或照明物体，经显微物镜成像在探测器上，得到光场分布，以此重建物体皮米尺度的信息，实现皮米显微镜的功能。

本发明的技术解决方案如下：

一种皮米显微镜，其特点在于包括皮米照明光场产生机构，该皮米照明光场产生机构输出的皮米尺度的光探针照明待测物体，经皮米显微成像透镜、皮米显微探测器得到待测物体的皮米尺度信息。

所述的皮米照明光场产生机构是形成皮米尺度照明光场的多光束干涉结构，包括：

1)皮米尺度的一维光场：由三束光干涉产生，包括一束左光束与两束有轻微夹角右光束干涉形成，一束左光束与两束右光束之间有较大的夹角，这个较大的夹角决定了所形成光栅场的周期，所述的两束右光束之间有一个较小的夹角，这个夹角的大小决定了两个光栅场周期之间的差值，也就是皮米光梳光场的不同周期之间拍频周期大小，通过调节这两束光之间的夹角，可以选择皮米光梳光场的不同皮米尺度的间距用于照明物体，通过控制这两束物光之间的位相，可以选择不同的皮米结构光场照明物体；

2)皮米尺度的二维光场：由前述的一维皮米光梳光场正交产生，正交的六束光，其中三束光在一个平面XZ内，产生XZ平面的一维条纹场，另三束光在另一个正交平面YZ内，产生YZ平面内的条纹干涉场，共同作用产生二维的皮米调制光场；

3)角度编码的皮米结构光场：由多束光干涉产生，其中一束作为左光束与多束有轻微夹角的右光束干涉而形成，通过控制角度，实现可控制的皮米光场；

4)波长编码的皮米光场：由不同波长光干涉产生，不同波长的干涉场可以产生略微不同的皮米尺度调制光栅场，选择不同波长就可以控制不同的皮米光场；

5)角度变换编码、波长编码、调制频率脉冲编码的光场：分别通过正交干涉的方式，实现不同角度、不同波长、或不同时域脉冲调制的正交干涉场，选择不同角度、不同波长控制二维皮米光场；或采用不同时域脉冲，控制不同调制频率的二维皮米光场；

6)角度变换、波长编码、或时域脉冲编码光场同时或混合使用，实现不同角度、不同波长、不同频率调制的一维、二维干涉场；

7)皮米光场由飞秒激光脉冲或者阿秒激光脉冲产生，实现超快时间尺度下皮米尺度的显微测量功能，观察飞秒、阿秒激光脉冲调制下皮米尺度光与物质相互作用行为；采用时域编码技术和频率锁定技术，实现不同脉冲调制下的皮米显微成像，观察时域脉冲调制下物质在皮米尺度相互作用行为；采用飞秒激光脉冲或者阿秒激光脉冲，通过控制飞秒激光脉冲之间的延迟，以及飞秒脉冲或阿秒脉冲之间皮米调制距离，实现飞秒或阿秒激光调制下的皮米显微成像，观察飞秒、阿秒激光脉冲调制下的皮米尺度相互作用行为。

所述的皮米光场结构是利用透镜的聚焦光点，通过双焦点的交叉部分，或与皮米光梳光场相互作用的公共部分，形成皮米尺度的光探针，采用单焦点、多焦点、波长编码、时域编码、飞秒或阿秒激光编码，以及各种结构光编码技术等，照明待测物体，得到待测物体的皮米尺度信息，实现皮米尺度的显微测量功能。

所述的轻微夹角的取值范围为从纳弧度到微弧度。

本发明的技术效果如下：

本发明结构光场照明提供了高信噪比的信号和丰富的结构光场。通过这些结构光场相互之间的作用，开发出多种结构光场下光与物质相互作用的测量装置，用于观察多种结构光场作用时，皮米尺度下光与物质相互作用的过程，使得我们可以进入皮米尺度下的光学世界，发现新的光学现象、原理，并开发推广其广泛应用。

本发明可以开发出皮米光刻、皮米测量、皮米尺度非线性光学技术，开辟皮米飞秒光学、皮米阿秒光学等新兴学科研究方向，广泛地应用于半导体光刻、皮米物理、光与物质在皮米尺度相互作用等多个领域。

附图说明

图1是本发明皮米显微镜实施例1的示意图。

图2是本发明皮米显微镜实施例2的示意图。

图3是本发明皮米显微镜实施例3的部分示意图

图4是本发明皮米显微镜实施例4的示意图

图5是本发明皮米显微镜实施例5的频率调制工作模式。

图6是本发明皮米显微镜实施例6的部分示意图

图7(a)是利用多角度光束产生二维皮米光梳场的示意图。

图7(b)是利用图7(a)多角度光束装置产生二维正交皮米光梳场的示意图。

图8(a)是利用多波长光束产生二维皮米光梳场的示意图。

图8(b)是利用图8(a)多波长光束装置产生二维正交皮米光梳场的示意图。

图9是本发明实施例7--有辅助照明光下的皮米显微镜。

图10是本发明实施例8--飞秒激光照明下的皮米显微镜。

图11是本发明实施例9--多波长作用下的一种皮米显微镜。

图12是本发明实施例10--多束飞秒或阿秒激光作用下的一种皮米显微镜。

图13是本发明实施例11--多种结构光场作用下的一种皮米显微镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明皮米显微镜实施例1的示意图。101为皮米显微镜的左光束，201，202为皮米显微镜的右光束，101与201、202之间的夹角决定了皮米光场301与302之间的距离d；201与202光束之间有一个微小的夹角Δθ，这个夹角决定了皮米光场301，302，303之间宽度差值Δd的大小与分布特性。利用301，302，303皮米光场照射或扫描物体40，通过成像透镜50，就可以在探测器60上得到皮米光场的分布，实现皮米显微镜的功能。

对于光栅周期d＝1000nm的光栅，两个光栅之间的差值可以设置为Δd＝100pm,则皮米光场301的宽度为Δd＝100pm，其邻域皮米光场302的宽度为2Δd＝200pm，皮米光场303的宽度为3Δd＝300pm等。这样，皮米光场被成像透镜50所收聚、在其成像面60实现皮米显微成像。

图2是本发明皮米显微镜实施例2的示意图。如图2所示，102为皮米显微镜的左光束，203，204，205为皮米显微镜的右光束，203与204、204与205之间的夹角分别为Δθ₁、Δθ₂，左光束102与右光束203、204、205的共同作用产生具有皮米尺度的光场，例如：可以产生304，305，306的光场结构，光场结构304与光场结构305、光场结构305与光场结构306之间的距离分别为X₁，X₂。以此结构照明待测物体40，经成像透镜50收集后，可以由探测器60测量得到，实现皮米显微镜的功能。

通过控制右光束203，204，205之间的夹角，使得X₁、X₂连续可调，例如，X₁＝150pm,X₂＝150pm等，从而通过成像透镜实现皮米显微成像。

图3是本发明皮米显微镜实施例3的部分示意图。103为皮米显微镜的左光束，206，207，208为皮米显微镜的右光束，206、…、208之间有N束不同夹角的光束，103光束与206、…、208的N束光束作用产生更多具有皮米尺度光场，如307、…、309所示的皮米尺度光场。如果206、…、208的N束光束中任一光束关闭或打开，这样，会导致皮米光场中一部分皮米结构光场，例如308、…、309皮米尺度光场出现或关闭。不同夹角Δθ的206，207，208等光束导致皮米光场307、…、309等距离为X₁，X₂，X_N，其中X可以通过定标得到线性关系81，其中测量点可能分布在81的两侧，表明81的线性关系是由测量数据拟合得到。

通过控制右光束206，207，208之间的夹角，可以实现X₁,X₂,X_N的连续可调，例如：X_N＝150pm等。特别是当激光束207，208整体同时以290方向旋转一个角度后，皮米光场位置从308移动到309，实现了皮米扫描显微成像的功能。

图4是本发明皮米显微镜实施例4。104，105为不同波长(λ₁或λ₂)的左光束，209，210为不同波长(λ₁或λ₂)的右光束，104，105与209，210作用产生具有波长调制的皮米光场，如310，311，312所示，其中，皮米光场310，311，与312之间的空间距离分别为X₃，X₄。不同波长λ的光导致皮米光场310，311，312在皮米尺度移动距离为X，其中X可以通过定标得到线性关系82。如果209，210等不同波长光束关闭或打开，会导致皮米光场中一部分皮米结构光场出现或关闭，以此可以实现皮米显微镜的功能。

如图4所示，通过控制入射光的波长λ₁，λ₂，从波长λ₁移动到λ₂，使得皮米光场从311移动到312，这个移动量达到了皮米量级，例如，X₃＝150pm，X₄＝150pm等。

图5是皮米显微镜实施例5的频率调制工作模式。左光束106，107与右光束211，212以不同的时间频率打开或关闭，这样的皮米结构光场313，314，315也会以不同的频率而变化，以此形成了独特的扫描工作模式，可以对物体进行皮米尺度的扫描测量。不同频率的输入光会导致皮米光场以不同频率调制，这样的光场经过透镜50收集后，在探测面上通过锁相601技术lock-in，可以锁定频率f₁,f₂,和夹角Δθ，反馈控制输入光106，107，和211，212，标定后的频率调制皮米光场可以实现皮米显微镜的功能。

如图5所示，不同调制频率f₁,f₂的光可以作为皮米光梳光场的入射光，例如，f₁＝80MHz,f₂＝100MHz等。不同频率的光通过锁相器(lock-in)锁定到特定频率f₁,f₂上，实现了皮米尺度下不同频率光与物质相互作用的功能。

图6是皮米显微镜实施例6的部分示意图--飞秒激光/阿秒激光工作模式。左光束108与右光束213，214是飞秒脉冲或阿秒脉冲，108与213、214共同作用产生皮米光场316，317，318。输入光213，214的飞秒脉冲或阿秒脉冲之间有一个延迟(delay),这样皮米结构光场317，318之间也有一个延迟，例如，3171，3181分别是317，318在时间维度上的表达，它们之间有一个时间延迟(delay),3178是3181在3171在时间维度上共同作用部分，利用这个3171与3181之间交叉部分3178，其宽度如X₈所示，就可以实现阿秒脉冲、或飞秒脉冲时间分辨尺度与物体在皮米尺度分辨距离的作用，实现皮米显微镜的功能。

如图6所示，当入射光213，214之间有一个可控的延迟(delay)，就可以通过控制这个延迟来研究脉冲光与物质在皮米尺度下瞬态时间参数。如果采用飞秒脉冲，这个延迟(Delay)可以设置几百皮秒，观察飞秒激光作用下，材料的热作用或烧蚀破坏作用等。

图7(a)是利用多角度光束产生二维皮米光梳场的示意图。右侧红实线表示多个光束，它们之间的夹角为Δθ_XZ1、Δθ_XZ2、Δθ_XZN(其中N表示多个光束)，左侧红实线一束光与右侧红实线的多束光均在XZ平面内，它们之间的夹角θ_XZ，它们干涉产生X方向的条纹，其干涉条纹的宽度可以表示为Δd_x。上部黑虚线表示多个光束，它们之间的夹角为Δθ_YZ1、Δθ_YZ2、Δθ_YZN，下部的黑虚线与上部的黑虚线都在YZ平面内，它们之间的夹角θ_YZ，其干涉产生Y方向的条纹，其条纹宽度可以表示为Δd_y。

图7(b)是利用图7(a)多角度光束装置产生二维正交皮米光梳场的示意图。在X方向上，在距离X₁，X₂，X_N分布的皮米光场分别由夹角为θ_XZ1、θ_XZ2、θ_XZN的光束产生,在X₁处的光场在X方向的宽度表示为Δd_x。在Y方向上，在距离Y₁，Y₂分布的皮米光场分别由夹角为θ_YZ1、θ_YZ2的光束产生，在Y₁处的光场在X方向的宽度表示为Δd_Y。

图8(a)是利用多波长光束产生二维皮米光梳场的示意图。右侧红实线表示多个波长光束，它们之间的波长为λ_XZ1、λ_XZ2、λ_XZN(其中N表示多个波长)，左侧红实线一束光与右侧红实线的光均在XZ平面内，它们之间的夹角θ_XZ，它们干涉产生X方向的条纹，其干涉条纹的宽度可以表示为Δd_x。上部黑虚线表示多波长光束，它们之间的波长为λ_YZ1、λ_YZ2、λ_YZN，下部的黑虚线与上部的黑虚线都在YZ平面内，它们之间的夹角θ_YZ，它们干涉产生Y方向的条纹，其它们之间的干涉产生Y方向的条纹，其条纹宽度可以表示为Δd_y。

图8(b)是利用图8(a)多波长光束装置产生二维正交皮米光梳场的示意图。在X方向上，在距离X₁，X₂，X_N分布的皮米光场分别由波长为λ_XZ1、λ_XZ2、λ_XZN的光束产生,在X₁处的光场在X方向的宽度表示为Δd_x。在Y方向上，在距离Y₁，Y₂分布的皮米光场分别由波长为λ_YZ1、λ_YZ2的光束产生，在Y₁处的光场在X方向的宽度表示为Δd_Y。

如图7，8所示，控制不同光束之间的夹角，使得X₁，X₂，X_N连续可调，例如，X₁＝150pm,X₂＝150pm,X_N＝150pm等；同时，Y方向之间的距离也可以调节，例如，Y₁＝1000nm,Y₂＝1000nm等。

图9是本发明实施例7--有辅助照明光下的皮米显微镜。左光束109与右光束215，216为波长λ₄的相干光，产生了325，326的皮米结构。波长为λ₃的入射光901，经过聚焦透镜90，在透镜90的焦点处，形成波长为λ₃的焦点902。326为波长λ₄的皮米结构，902与326的公共交叉处，可以形成两个波长的共同作用区域904，其宽度为X₉，经过成像透镜50成像，形成905的光场，实现了双波长共同作用分辨的皮米显微功能。

如图9所示，所选材料必须对两个波长λ₃，λ₄的共同作用产生反应，例如，λ₃，λ₄的协同作用，将物质的电子能级从低能级泵浦到高能级，或者产生变色反应，或者激光强度的阈值作用。不论何种非线性光学作用，都要在成像透镜50的像面成像点905观察到变化。

图10是本发明实施例8--飞秒激光照明下的皮米显微镜。左光束110与右光束217，218均为连续光(CW)，产生了327，328的连续光(CW)的皮米结构。飞秒入射光906，经过聚焦透镜90，在其焦点处，形成907的飞秒激光焦点。飞秒激光907可以和物质相互作用，形成透过率开口效应，此时，328与907的公共作用区域，形成飞秒激光与连续光共同作用的区域908，其宽度可以用X₁₀表示，经过成像透镜50成像，形成909的光场分布，实现飞秒激光或阿秒激光作用下皮米显微镜的功能。

如图10所示，906可以为飞秒激光，例如中心波长在800nm的飞秒激光，110，217，218为连续激光，它们的相互共同作用，在透镜50的像面上产生成像光斑909，以此可以观察到飞秒激光与连续激光共同作用，实现显微成像功能。

图11是本发明实施例9--多波长作用下的一种皮米显微镜。左光束111与右光束219，220为波长λ₅的光场，产生了329，330，331的皮米结构光场。另外两个波长的入射光，入射光910的波长为λ₆，入射光911的波长为λ₇，经过聚焦透镜90会聚后，在其焦点处，形成912，913两个焦点，其中912为波长λ₆的焦点，913为波长λ₇的焦点，这两个焦点公共交叉区域为斜线区表示，这个公共区域(斜线区)和330光场的共同交叉部分，形成三个波长共同作用的区域914，其宽度用X₁₁表示，经过成像透镜50成像，形成915的光场分布，实现三个波长共同作用下的皮米显微分辨的功能。

如图11所示，两个不同波长λ₆，λ₇的激光，和另一束波长为λ₅的皮米光梳光场相互作用，在成像透镜50的像面上，形成了915成像点，以此观察三束激光在皮米尺度下的相互作用，例如，λ₅＝405nm,λ₆＝800nm,λ₇＝632.8nm等。

图12是本发明实施例10--多束飞秒或阿秒激光作用下的一种皮米显微镜。左光束112与右光束221，222为连续波长的光场，产生了331，332，333的连续光皮米结构。另外两束飞秒激光(或阿秒激光)入射光916，917，经过聚焦透镜90会聚后，在其焦点处，形成918，919两个焦点，其中918为飞秒激光1(fs₁)的焦点，919为飞秒激光2(fs₂)的焦点，这两个飞秒激光焦点公共交叉区域用斜线区表示，这两个飞秒激光公共区域(斜线区)与皮米光结构332的交叉部分，形成920，其宽度为X₁₂，形成三束激光(两束飞秒光，一束连续光)共同作用的区域920，经过成像透镜50，在成像面形成921的光场分布，实现飞秒激光与连续激光共同作用下的皮米显微镜的功能。

如图12所示，两束不同飞秒激光(fs₁,fs₂)与另外一束连续激光(CW)的相互作用，在成像透镜50的像面上，形成光斑921，以此观察飞秒激光与连续激光相互作用下的显微成像过程。

图13是本发明实施例11--多种结构光场作用下的一种皮米显微镜。左光束113与右光束223，224干涉形成皮米结构光场333，334。入射结构光922，923可以为多种结构光形式，经过聚焦透镜90会聚后，在其焦点处，形成924，925两个焦点，这两个焦点的公共区域用斜线区表示，其中926为这两个焦点(924，925)的公共交叉区域(斜线区)与皮米结构光场333的共同作用范围，其宽度为X₁₄。聚焦光点924，925及共同作用区域926经过成像透镜50成像，形成927，928两个成像点，以及公共交叉区域929的分布，其宽度为X′₁₄。这个共同作用分辨区域929，就实现了多种结构光作用下的皮米显微功能。这里多种结构光可以是左旋偏振光930，径向偏振光931，934，也可以是不同涡旋角动量光932，933，也可以右旋偏振光935。这些不同种类结构光，例如936，937，938，939可以加载到不同入射光922，923上。其中径向偏振光931，934在焦点处产生电场分量为零，轴向磁场分量为最大的结构光940，943，这样两个轴向磁场分量的结构光(940，943)可以和物体在皮米尺度相互作用，观察这些特定的结构光与物体在皮米尺度相互作用的效应。偏振光场932，933也可能沿光轴方向有不同角度，例如941，942，用于观察不同偏振角度的结构光和物体的相互作用。这些结构光场的公共交叉部分，可以形成丰富的皮米尺度的光探针，其宽度如X₁₄表示，实现丰富的结构光分辨的皮米显微镜。

如图13所示，采用不同结构的照明光，包括不同偏振、径向、切向偏振光，或不同涡旋角动量的结构光，它们在成像透镜50的成像面上，形成共同作用像点929。控制这些结构光的参数，可以得到丰富的皮米结构光场，观察它们在皮米尺度下的相互作用的行为。

实验表明，本发明结构光场照明提供了高信噪比的信号和丰富的结构光场。通过这些结构光场相互之间的作用，开发出多种结构光场下光与物质相互作用的测量装置，用于观察多种结构光场作用时，皮米尺度下光与物质相互作用的过程，使得我们可以进入皮米尺度下的光学世界，发现新的光学现象、原理，并开发推广其广泛应用。

Claims

1.一种皮米显微镜，包括皮米照明光场产生机构，该皮米照明光场产生机构输出的皮米尺度的光探针照明待测物体，经皮米显微成像透镜(50)、皮米显微探测器(60)得到待测物体的皮米尺度信息；其特征在于，所述的皮米照明光场产生机构是形成皮米尺度照明光场的多光束干涉结构，包括：

2.根据权利要求1所述的皮米显微镜，其特征在于，所述的皮米光场结构是利用透镜的聚焦光点，通过双焦点的交叉部分，或与皮米光梳光场相互作用的公共部分，形成皮米尺度的光探针，采用单焦点、多焦点、波长编码、时域编码、飞秒或阿秒激光编码，以及各种结构光编码技术等，照明待测物体，得到待测物体的皮米尺度信息，实现皮米尺度的显微测量功能。

3.根据权利要求1或2所述的皮米显微镜，其特征在于，所述的轻微夹角的取值范围为从纳弧度到微弧度。