CN111443496A - 一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法 - Google Patents

一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111443496A
CN111443496A CN202010227585.6A CN202010227585A CN111443496A CN 111443496 A CN111443496 A CN 111443496A CN 202010227585 A CN202010227585 A CN 202010227585A CN 111443496 A CN111443496 A CN 111443496A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
beams
optical fiber
polarization
dichroic mirror
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010227585.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111443496B (zh
Inventor
陈建
詹其文
陈国梁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
University of Shanghai for Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Shanghai for Science and Technology filed Critical University of Shanghai for Science and Technology
Priority to CN202010227585.6A priority Critical patent/CN111443496B/zh
Publication of CN111443496A publication Critical patent/CN111443496A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111443496B publication Critical patent/CN111443496B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0944—Diffractive optical elements, e.g. gratings, holograms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0977—Reflective elements
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G03F7/7015—Details of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G03F7/7015—Details of optical elements
    • G03F7/70158—Diffractive optical elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

本发明提出了一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法，该装置包含反射镜对、二向色镜、二分之一波片、四分之一波片、聚焦透镜、定制的涡旋光纤、偏振控制器和CCD。定制的涡旋光纤带有布拉格光栅和长周期光栅，用于模式筛选。通过反射镜对控制两束不同波长的光的传播方向，使其通过二向色镜同时耦合进涡旋光纤。涡旋光纤将其中一束光转化为角向偏振光，作为抑制光；同时使另一束光保持为高斯光束，作为激发光。利用光纤的自共轴性，实现两束光严格共轴，角向偏振光会抑制高斯光束除中心以外其他地方的光场与物质的相互作用，从而实现超衍射极限双光束耦合。本发明可广泛应用于显微成像、超衍射极限纳米光刻、粒子捕获等领域。

Description

一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法。
背景技术
众所周知，跨尺度低成本的纳米加工技术对信息科技革命有着巨大的推动作用，但显微成像、纳米加工等纳米尺寸技术受阿贝衍射极限的限制，单光束激光可获得的特征尺寸大于半波长。1994年德国科学家提出受激辐射抑制(STED)光学超分辨成功的解决了衍射极限问题，使得双光束激光加工、双光束显微成像最近取得了巨大发展。受激辐射抑制(STED)光学超分辨采用一束激光激发聚合反应过程(激发光)，同时用另一束空间重叠的中空环形激光在激发光焦点周围抑制前述聚合反应(抑制光)，是近年来获得广泛关注的圆柱矢量模式类中最成功的应用之一。
尽管有了巨大的发展，但当前实现双光束的几种方法都是使用自由空间光束整形设备来实现所需波长的高斯光束和抑制光束的重叠。通常需要两个不同的激光束精确共对准，实现较为困难。但是基于光纤的方案不仅可以实现双光束的共轴输出，而且具有更低的损耗，因此系统更紧凑、更可靠，便于广泛采用。
双光束光刻利用圆环形状的抑制光束来抑制由写入光束触发的光聚合，从而减小微纳结构的特征尺寸，提高分辨率。虽然聚焦写入光束和抑制光束都致使光斑尺寸受到衍射的限制，但是双光束光刻的特征尺寸和分辨率可以打破两个聚焦光束衍射尺寸的限制。虽然电子束刻蚀可以实现高分辨率，但是电子束刻蚀不能进行3D制作。单光束光刻能够制造三维任意几何形状，然而，光的衍射特性限制了加工的最小尺度。双光束光刻具有通过光抑制策略制造具有纳米特征尺寸和分辨率的三维任意几何形状的优势，可与电子束刻蚀相媲美。在STED显微成像等领域，同样面临着双光束的共轴耦合问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法，其利用定制涡旋光纤产生空心抑制光和保持激发光强度分布不变，并输出严格自共轴双光束。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种实现双光束共轴输出的方法，其包括如下步骤：步骤1，将激发光利用第一二分之一玻片调整为水平偏振光，利用平行反射镜对控制激发光束的传播方向至二向色镜；
利用第二二分之一玻片和四分之一玻片的组合方式来调节抑制光的偏振并与激发光偏振匹配，而后利用反射镜对改变其传播方向至二向色镜；
利用二向色镜将抑制光、激发光沿同一方向共轴传播；
步骤2，利用聚焦透镜将两束光同时耦合进单模光纤；
步骤3，利用单模光纤的传输将两光束耦合进布拉格光栅，而后利用长周期光栅配合偏振控制器将两束光进行模式筛选，从抑制光中筛选出角向偏振光，激发光保持强度分布不变，利用涡旋光纤(16)传输角向偏振光和基模高斯光束，最后输出共轴的两束光。
步骤1中，利用脉冲激光器产生的锁模啁啾脉冲激光作为激发光。
步骤2中，聚焦透镜将两个光束的聚焦光斑控制在2μm。
一种实现双光束共轴输出的耦合装置，其包括：
用于将激发光调整为水平偏振光的第一二分之一玻片，其光路输出方向设置有将激发光传播至二向色镜的平行反射镜对；
用于调节抑制光的偏振而与激发光偏振匹配的第二二分之一玻片和四分之一玻片组合件，其依次排布，所述组合件的光路输出方向设置有将抑制光传播至二向色镜的反射镜对；
用于将激发光和抑制光共轴传输至聚焦透镜的二向色镜，所述聚焦透镜的输出方向设置有将光束传输至布拉格光栅的单模光纤，所述布拉格光栅的光路输出方向依次设置有长周期光栅配合偏振控制器。
进一步，所述激发光是波长为1030nm的脉冲光。
与现有技术相比，本发明的优点为：相较于空间中的双光束系统，本发明利用光纤的共轴特性，可较为方便准确地实现双光束的严格共轴。且利用定制涡旋光纤，更易控制光束的偏振态，抑制光更加稳定。抑制光的产生、传输、纯度以及激发光的空间不变性都有所提高。
附图说明
图1为本发明实施例中一种实现双光束共轴输出的耦合装置示意图。
图2为532nm抑制光入射时，涡旋光纤输出的角向偏振光的强度分布图。
图3为1030nm激发光入射时，涡旋光纤输出的高斯光束的强度分布图。
图4为两束光同时耦合进涡旋光纤时，输出光斑的强度分布图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。
本发明第一实施方式提供了一种实现双光束共轴输出的方法，其包括如下步骤：
步骤一，将脉冲激光作为激发光，连续激光作为抑制光，利用两对平面反射镜对，调节激发光和抑制光的传播方向。用二分之一波片和四分之一波片，将激发光和抑制光进行偏振匹配。通过二向色镜将激发光和抑制光大致在空间中共轴，利用非球面聚焦透镜将聚焦光斑控制在2μm左右。利用光纤位移平台对光纤进行多维度调整，将两束光同时耦合进单模光纤。
步骤二，单模光纤将双光束传输到布拉格光栅。利用布拉格光栅对抑制光进行模式转换，将基模抑制光转换为高阶模式，同时保持激发光强度分布不变。布拉格光栅将两束光同时耦合进定制涡旋光纤。定制涡旋光纤的纤芯折率呈环状分布，有利于环状光束的产生和传输。定制涡旋光纤将抑制光的有效折射率差增大，而激发光保持不变。利用涡旋光纤将两光束同时耦合进长周期光栅。
步骤三，用长周期光栅配以偏振控制器，对两束光进行模式筛选。从抑制光中筛选出角向偏振光，而激发光保持强度分布不变。利用涡旋光纤传输角向偏振光和基模高斯光束，最终输出严格共轴的两束光。其中，抑制光强度会大于激发光的强度，抑制光会破坏激发光除中心以外其他地方的光场与物质的相互作用，利用聚焦物镜可实现超衍射极限的双光束耦合。
本发明的第二实施方式提供了一种实现双光束共轴输出的耦合装置(以下简称“该装置”)，其包括激发光1、第一二分之一波片2、反射镜对3、4、8、9、抑制光5、四分之一波片6、第二二分之一波片7、二向色镜10、聚焦透镜11、单模光纤12、布拉格光栅13、长周期光栅14、偏振控制器15、定制涡旋光纤16、CCD17。所述激发光1是波长为1030nm的脉冲光，抑制光5是波长为532nm的连续光，聚焦透镜11的焦距为8mm。
该装置中用于将激发光调整为水平偏振光的第一二分之一玻片2的光路输出方向设置有将激发光传播至二向色镜10的平行反射镜对3,4。而用于调节抑制光5的偏振而与激发光偏振匹配的第二二分之一玻片6和四分之一玻片7组合件依次排布，所述组合件的光路输出方向设置有将抑制光传播至二向色镜10的反射镜对8,9。用于将激发光和抑制光共轴传输至聚焦透镜11的二向色镜10对激发光全部透射，对抑制光全部反射，利用二向色镜使抑制光和激发光在空间中沿同一方向传播且大致共轴，所述聚焦透镜11的输出方向设置有将光束传输至布拉格光栅13的单模光纤12，所述布拉格光栅13的光路输出方向依次设置有长周期光栅14配合偏振控制器15。
结合图1所示，激发光1为基模脉冲的线偏振光，通过第一二分之一波片2将其调整为水平偏振光，然后利用反射镜组3、4调节激发光的传播方向。抑制光5为线性偏振连续光，通过第二二分之一波片7和四分之一波片6将抑制光变成圆偏振光，再利用平行反射镜对8、9控制抑制光的传播方向，使其与激发光的传播方向垂直。二向色镜10对激发光全部透射，对抑制光全部反射，利用二向色镜使抑制光和激发光在空间中沿同一方向传播且大致共轴。选择对两束光色差最小的聚焦透镜11，且聚焦后两束光在焦点处的光斑大小约为2μm，利用此聚焦透镜将两束光同时耦合进单模光纤12。
利用单模光纤将两光束传播至布拉格光栅13，布拉格光栅13会将抑制光变为高阶模式。布拉格光栅连接涡旋光纤，涡旋光纤16的折射率分布呈环状，环状光纤有利于高阶模式的传播，且模式间的有效折射率差增大。偏振控制器挤压光纤，改变光纤内传播的抑制光偏振态。长周期光栅14和偏振控制器15对抑制光进行模式筛选，最终将TE01模式筛选出来，即为环状的角向偏振光。利用涡旋光纤传输，同时保持激发光强度分布不变，最终实现两光束严格共轴输出，且抑制光的强度会大于激发光的强度。利用CCD17分别测量两个光束的强度分布(如图2和图3所示)，并测量合束的强度分布(如图4所示)，实验结果与预期结果相符。
另外，本发明具有原理可靠和便于实现等优点，相较空间中的双光束系统，光束可利用光纤的共轴特性，较为方便准确地严格共轴。且利用设计好的涡旋光纤，更易控制光束的偏振态，抑制光也更加的稳定。

Claims (5)

1.一种实现双光束共轴输出的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤1，将激发光利用第一二分之一玻片调整为水平偏振光，利用平行反射镜对控制激发光束的传播方向至二向色镜；
利用第二二分之一玻片和四分之一玻片的组合方式来调节抑制光的偏振并与激发光偏振匹配，而后利用反射镜对改变其传播方向至二向色镜；
利用二向色镜将抑制光、激发光沿同一方向共轴传播；
步骤2，利用聚焦透镜将两束光同时耦合进单模光纤；
步骤3，利用单模光纤的传输将两光束耦合进布拉格光栅，而后利用长周期光栅配合偏振控制器将两束光进行模式筛选，从抑制光中筛选出角向偏振光，激发光保持强度分布不变，利用涡旋光纤(16)传输角向偏振光和基模高斯光束，最后输出共轴的两束光。
2.根据权利要求1所述的一种实现双光束共轴输出的方法，其特征在于，步骤1中，利用脉冲激光器产生的锁模啁啾脉冲激光作为激发光。
3.根据权利要求1所述的一种实现双光束共轴输出的方法，其特征在于，步骤2中，聚焦透镜将两个光束的聚焦光斑控制在2μm。
4.一种实现双光束共轴输出的耦合装置，其特征在于，其包括：
用于将激发光调整为水平偏振光的第一二分之一玻片，其光路输出方向设置有将激发光传播至二向色镜的平行反射镜对；
用于调节抑制光的偏振而与激发光偏振匹配的第二二分之一玻片和四分之一玻片组合件，其依次排布，所述组合件的光路输出方向设置有将抑制光传播至二向色镜的反射镜对；
用于将激发光和抑制光共轴传输至聚焦透镜的二向色镜，所述聚焦透镜的输出方向设置有将光束传输至布拉格光栅的单模光纤，所述布拉格光栅的光路输出方向依次设置有长周期光栅配合偏振控制器。
5.根据权利要求4所述的一种实现双光束共轴输出的耦合装置，其特征在于，所述激发光是波长为1030nm的脉冲光。
CN202010227585.6A 2020-03-26 2020-03-26 一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法 Active CN111443496B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010227585.6A CN111443496B (zh) 2020-03-26 2020-03-26 一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010227585.6A CN111443496B (zh) 2020-03-26 2020-03-26 一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111443496A true CN111443496A (zh) 2020-07-24
CN111443496B CN111443496B (zh) 2021-12-14

Family

ID=71653951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010227585.6A Active CN111443496B (zh) 2020-03-26 2020-03-26 一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111443496B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113189847A (zh) * 2021-04-21 2021-07-30 之江实验室 基于光纤选模耦合器的多通道并行式超分辨直写光刻系统
CN114488715A (zh) * 2022-02-18 2022-05-13 西湖大学 一种光纤阵列光刻机
CN116430687A (zh) * 2023-06-14 2023-07-14 之江实验室 一种基于双光束的高通量超分辨三维刻写方法与系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102096180A (zh) * 2009-12-11 2011-06-15 奥林巴斯株式会社 超分辨率显微镜
CN108680548A (zh) * 2018-05-16 2018-10-19 华中科技大学 一种全光纤型超分辨成像方法与装置
CN109752830A (zh) * 2018-12-12 2019-05-14 桂林电子科技大学 一种全光纤sted超分辨显微照明装置
WO2019169368A1 (en) * 2018-03-01 2019-09-06 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Methods and systems for stimulated emission depletion microscopy
CN110632045A (zh) * 2019-09-10 2019-12-31 之江实验室 一种产生并行超分辨焦斑的方法和装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102096180A (zh) * 2009-12-11 2011-06-15 奥林巴斯株式会社 超分辨率显微镜
WO2019169368A1 (en) * 2018-03-01 2019-09-06 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Methods and systems for stimulated emission depletion microscopy
CN108680548A (zh) * 2018-05-16 2018-10-19 华中科技大学 一种全光纤型超分辨成像方法与装置
CN109752830A (zh) * 2018-12-12 2019-05-14 桂林电子科技大学 一种全光纤sted超分辨显微照明装置
CN110632045A (zh) * 2019-09-10 2019-12-31 之江实验室 一种产生并行超分辨焦斑的方法和装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113189847A (zh) * 2021-04-21 2021-07-30 之江实验室 基于光纤选模耦合器的多通道并行式超分辨直写光刻系统
CN113189847B (zh) * 2021-04-21 2024-04-12 之江实验室 基于光纤选模耦合器的多通道并行式超分辨直写光刻系统
CN114488715A (zh) * 2022-02-18 2022-05-13 西湖大学 一种光纤阵列光刻机
WO2023155491A1 (zh) * 2022-02-18 2023-08-24 西湖大学 一种光纤阵列光刻机
CN114488715B (zh) * 2022-02-18 2023-09-29 西湖大学 一种光纤阵列光刻机
CN116430687A (zh) * 2023-06-14 2023-07-14 之江实验室 一种基于双光束的高通量超分辨三维刻写方法与系统
CN116430687B (zh) * 2023-06-14 2023-12-15 之江实验室 一种基于双光束的高通量超分辨三维刻写方法与系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN111443496B (zh) 2021-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111443496B (zh) 一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法
Wang et al. Generation and detection of structured light: a review
JP6804636B2 (ja) 多モード照明のために渦ファイバーを利用する光学撮像システム
US7292749B2 (en) System for electromagnetic field conversion
EP3757650B1 (en) Illumination system for sted optical microscope and sted optical microscope
JP5039744B2 (ja) ベッセルビームを発生するシステムおよび技法
CN101363964B (zh) 可调式圆环形矢量光束产生系统
JP2011527768A (ja) ＋軸対称偏極ビーム
WO2010045366A1 (en) Apparatus and method of generating nearly non-diffracting beams from multimode optical fibers
US10218145B1 (en) Vortex laser generation device in degenerate cavity with spiral phase element and vortex laser generation method
CN109283805A (zh) 基于达曼光栅的激光直写装置
Xing et al. Dynamically tunable multi-lobe laser generation via multifocal curved beam
CN113725711B (zh) 一种基于双涡旋波片的光学涡旋光纤激光器
CN101382664B (zh) 一种偏振态非均匀分布光束产生方法及其装置
Luo et al. Double-cladding optical fiber design and optimization for simplifying the STED system
CN201278063Y (zh) 一种焦点区域光强分布调节装置
Chen et al. Self-aligned fiber-based dual-beam source for STED nanolithography
CN110109258B (zh) 一种基于锥形微透镜光纤的涡旋光模式激发方法
Shi et al. Metasurfaces with wavelength-controlled functions
Qu et al. Application of ultrafast laser beam shaping in micro-optical elements
Karpeev et al. The optical scheme for universal generation and conversion of nonuniform polarized laser beams by means of DOEs
Ramachandran et al. Generation of radially polarised beams from optical fibers
Liu et al. Experimental study on high efficiency of Ti: sapphire laser to single-mode f iber coupling
Petrov Super-resolution imaging in optical waveguide
Gotovski et al. Effects of various misalignments and beam impurities on creation of optical needle using Pancharatnam–Berry phase elements

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant