CN112034628A - 一种可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置，该装置首先生成用于产生高通量暗斑的激光，然后入射到加载衍射相位的空间调制器上，将光束分束为多路激光阵列，再将其入射到微透镜阵列上并聚焦，同时将光束阵列在微透镜阵列的傅里叶面上进行滤波，之后将光束阵列入射到高通量暗斑生成器件上进行相位调制，最后将光束阵列聚焦产生高通量的暗斑。本发明设计紧凑，集成度高；可以在生成大通量超衍射极限焦斑的同时实现对暗斑的高速特异性调控；可用于实现并行受激发射损耗显微成像和高通量双光束激光直写光刻，可实现并行系统的亚50nm分辨率，提升系统速度，保证激光直写加工速度和成像分辨率的同步稳定提升。

Description

一种可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置

技术领域

本发明属于光学工程领域，尤其涉及一种可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置。

背景技术

激光三维打印与加工技术是一种具有微米加工精度，又具备三维打印能力的技术。可以灵活地制造相应尺度结构的机械、电子和光学器件。同时，简化了加工工艺，特别适合用于新型器件研究与试制。但这种方法在原理上受到衍射极限的限制，分辨率难以突破亚百纳米。要实现纳米精度的直写，需要突破光学衍射极限，因此需要发展基于超分辨激技术的光直写技术。

在直写原理上，激光三维纳米加工（打印）系统将直写激光直接聚焦于光胶，使光胶聚合而获得微纳结构。利用光胶的双光子激发效应，可实现百纳米级精度的激光直写加工。而且，由于双光子效应对聚焦激光高能量密度的要求，使这种加工方式特别适合制造大尺寸三维结构。在此基础上，将一束经过空间光调制，聚焦后为3D暗斑的光束与直写光束合束，利用该光束在光胶中引发的抑制效应，减小聚焦直写激光光斑的有效尺寸，提高加工分辨率，这样的等效焦斑也被称作超衍射极限焦斑。利用以上原理，奥地利林茨大学的Klar研究组，实现了120纳米横向加工分辨率。澳大利亚顾敏院士与曹耀宇等人通过改进光胶，实现了双线横向52纳米最小分辨率加工。近期又有报导，华中科技大学的甘棕松教授团队，实现了单线宽9纳米的直写加工。这种技术被称为双光束激光直写技术。

目前该技术的发展，仅仅是分辨率方面达到几十纳米的精度，其速度很慢，是低通量的直写技术。要想成为可以应用的技术，就必须解决高通量直写问题以及在高通量直写下的分辨率稳定性问题。要解决高通量直写，采用多路直写光束并行加工的方式是提升加工速度最直接有效的方法，为此也需多路并行的高通量超衍射极限焦斑来配合实现。同时高通量的超衍射极限装置还可应用于STED（受激辐射损耗）、FED（荧光辐射差分）超分辨成像中，实现并行的快速超分辨成像。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置，包括抑制光激光器、抑制路准直器、第一半波片、抑制路起偏器、第一反射镜、抑制路空间光调制器、第一透镜、抑制路小孔阵列、第一微透镜阵列、高通量暗斑生成器件、抑制路多通道声光调制器、第二半波片、抑制路四分之一波片、第二微透镜阵列、第二透镜、第三透镜、第二反射镜、二色镜、激发光激光器、激发路准直器、第三半波片、激发路起偏器、第三反射镜、激发路空间光调制器、第四透镜、激发路小孔阵列、第三微透镜阵列、激发路多通道声光调制器、第四半波片、激发路四分之一波片、第四微透镜阵列、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、场镜和物镜；抑制光激光器发出的抑制光光束依次经过抑制路准直器、第一半波片、抑制路起偏器、第一反射镜、抑制路空间光调制器、第一透镜、抑制路小孔阵列、第一微透镜阵列、高通量暗斑生成器件、抑制路多通道声光调制器、第二半波片、抑制路四分之一波片、第二微透镜阵列、第二透镜、第三透镜、第二反射镜后，生成抑制光光束阵列到达二色镜；激发光激光器发出的激发光光束依次经过激发路准直器、第三半波片、激发路起偏器、第三反射镜、激发路空间光调制器、第四透镜、激发路小孔阵列、第三微透镜阵列、激发路多通道声光调制器、第四半波片、激发路四分之一波片、第四微透镜阵列、第五透镜、第六透镜后，生成激发光光束阵列到达二色镜；二色镜对抑制光光束阵列透射、对激发光光束阵列反射，抑制光光束阵列和激发光光束阵列经二色镜合束后的光束阵列依次经过第七透镜、第八透镜、场镜、物镜后聚焦在物镜焦面处，抑制光光束阵列在物镜焦面处形成暗斑阵列，激发光光束阵列在物镜焦面处形成实心光斑阵列，共同形成可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑。

进一步地，所述高通量暗斑生成器件为两侧表面分别増镀遮光层和增透膜的透明基底；其中，刻蚀透明基底表面的遮光层，刻蚀位置形成阵列；并在透明基底上刻写0-2π涡旋相位板，刻写位置与其遮光层刻蚀位置相同，得到0-2π涡旋相位阵列。

进一步地，所述透明基底为玻璃或塑料。

进一步地，所述抑制光光束阵列中的每一束光皆为带有0-2π涡旋相位的圆偏光；所述激发光光束阵列中的每一束光皆为圆偏光。

进一步地，所述抑制路小孔阵列中各小孔的光轴、第一微透镜阵列中各微透镜的光轴、高通量暗斑生成器件中各相位掩膜的光轴、抑制路多通道声光调制器中各通道的光轴、第二微透镜阵列中各微透镜的光轴、激发路小孔阵列中各小孔的光轴、第三微透镜阵列中各微透镜的光轴、激发路多通道声光调制器中各通道的光轴、第四微透镜阵列中各微透镜的光轴、抑制路光束阵列中各光束的光轴与激发光光束阵列中各光束的光轴均一一对应且同轴。

进一步地，进入抑制路多通道声光调制器的每束光的强度和通断，由抑制路多通道声光调制器中相应的通道单独调控；进入激发路多通道声光调制器的每束光的强度和通断，由激发路多通道声光调制器中相应的通道单独调控。

进一步地，每个暗斑通过抑制对应实心光斑的作用区域形成可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑。

本发明的有益效果是：本发明首先生成用于产生高通量暗斑的激光，然后将生成的激光入射到空间调制器件上，再将光束分束为多路激光阵列，将激光阵列入射到微透镜阵列上并聚焦，将光束阵列在微透镜阵列的傅里叶面上进行滤波，将光束阵列入射到高通量暗斑生成器件上进行相位调制，最后将光束阵列聚焦到样品上产生焦斑。本发明设计更加紧凑，集成度高；可以在生成大通量超衍射极限焦斑的同时实现对超分辨焦斑的高速特异性调控；可用于实现并行受激发射损耗显微成像和高通量双光束激光直写光刻，可实现并行系统的亚50nm分辨率，同时实现速度与分辨率的稳定提升。

附图说明

图1为本发明提供的超分辨焦斑生成装置的示意图；

图2为本发明中高通量暗斑阵列示意图；

图3为本发明中高通量实心斑阵列示意图；

图4为本发明中高通量超衍射极限焦斑阵列示意图；

图中，抑制光激光器1、抑制路准直器2、第一半波片3、抑制路起偏器4、第一反射镜5、抑制路空间光调制器6、第一透镜7、抑制路小孔阵列8、第一微透镜阵列9、高通量暗斑生成器件10、抑制路多通道声光调制器11、第二半波片12、抑制路四分之一波片13、第二微透镜阵列14、第二透镜15、第三透镜16、第二反射镜17、二色镜18、激发光激光器19、激发路准直器20、第三半波片21、激发路起偏器22、第三反射镜23、激发路空间光调制器24、第四透镜25、激发路小孔阵列26、第三微透镜阵列27、激发路多通道声光调制器28、第四半波片29、激发路四分之一波片30、第四微透镜阵列31、第五透镜32、第六透镜33、第七透镜34、半反半透镜35、第八透镜36、场镜37、物镜38、位移台39、第九透镜40、彩色面阵探测器41。

具体实施方式

本发明在物镜焦面处抑制光激光器发出的激光形成高通量暗斑阵列，激发光激光器发出的光形成高通量实心光斑阵列，暗斑通过抑制实心光斑的作用区域，实现高通量超衍射极限焦斑阵列；利用超衍射极限焦斑对放置与样品台上的样品进行并行超分辨成像或激光直写加工。

本发明包含波长不同的两路光，一路为用于产生大通量暗斑的抑制路，一路为用于生成与之对应的实心光斑的激发路；两路光均使用空间光调制器将激光分束形成激光阵列，再使用一种生成高通量暗斑阵列的器件对抑制光调制，将调制后的抑制光阵列与激发光阵列通过物镜聚焦，形成高通量的超衍射极限暗斑。本发明应用于受激发射损耗显微技术和激光直写光刻技术可极大地提升系统分辨率，同时极大地提升系统速度。

如图1所示，一种可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置包括抑制光激光器1、抑制路准直器2、第一半波片3、抑制路起偏器4、第一反射镜5、抑制路空间光调制器6、第一透镜7、抑制路小孔阵列8、第一微透镜阵列9、高通量暗斑生成器件10、抑制路多通道声光调制器11、第二半波片12、抑制路四分之一波片13、第二微透镜阵列14、第二透镜15、第三透镜16、第二反射镜17、二色镜18、激发光激光器19、激发路准直器20、第三半波片21、激发路起偏器22、第三反射镜23、激发路空间光调制器24、第四透镜25、激发路小孔阵列26、第三微透镜阵列27、激发路多通道声光调制器28、第四半波片29、激发路四分之一波片30、第四微透镜阵列31、第五透镜32、第六透镜33、第七透镜34、半反半透镜35、第八透镜36、场镜37、物镜38、高精度位移台39、第九透镜40和彩色面阵探测器41。图1中只画出了3路光束的主光线加以说明，实际的数量和排布不限。

其中，高通量暗斑生成器件5为两侧表面分别増镀遮光层和增透膜的透明基底；采用高精度刻蚀技术刻蚀透明基底表面的遮光层，刻蚀位置形成阵列；根据选用的激光波长，在高通量暗斑生成器件5的透明基底上刻写0-2π涡旋相位板，刻写位置与其遮光层刻蚀位置相同，得到0-2π涡旋相位阵列。透明基底为玻璃或塑料；增透膜用于保证器件透过率；特别地，如果对透射率要求不高，增透膜可以省去。当光束阵列通过高通量暗斑生成器件5时，每一束光被0-2π涡旋相位板调制，聚焦后生成如图2的横向空心暗斑。

抑制光激光器1发出波长为532nm的抑制光束，被抑制路准直器2准直为平行光束，然后依次经过第一半波片3和抑制路起偏器4，被第一反射镜5反射后入射到抑制路空间光调制器6上。第一半波片3用来旋转光束的偏振方向，使透过抑制路起偏器4的能量最大化，提高光能利用率。抑制路起偏器4用来产生高质量线偏振光并保证光束的偏振方向与抑制路空间光调制器6可调制的方向一致。抑制路空间光调制器6上加载所需的衍射相位分布，将抑制光束转化为多束光。多光束通过第一透镜7，被第一透镜7转化为光轴平行的抑制光光束阵列，同时，光束阵列中的每束光聚焦在第一透镜7的焦面上，并被放置于第一透镜7焦面上的抑制路小孔阵列8进行空间滤波，滤除边缘杂散光，提高光束质量。抑制光光束阵列经过抑制路小孔阵列8后再经过第一微透镜阵列9转化为平行光束阵列。抑制光阵列再经过高通量暗斑生成器件10，阵列中的每束光的相位被调制为0-2π涡旋相位。调制后的抑制光阵列再经过抑制路多通道声光调制器11，每束光的强度和通断可以被抑制路多通道声光调制器11中相对应的通道调制。抑制光光束阵列从抑制路多通道声光调制器11中出射后再依次经过第二半波片12和抑制路四分之一波片13，阵列中的每束光被转化为圆偏光。此时，抑制光光束阵列中的每一束光皆为带有0-2π涡旋相位的圆偏光，该光束阵列再依次经过第二微透镜阵列14、第二透镜15、第三透镜16后，被第二反射镜17反射到二色镜18上。

激发光激光器19发出波长为775nm的激发光束，被激发路准直器20准直为平行光束，然后依次经过第三半波片21和激发路起偏器22，被第三反射镜23反射后入射到激发路空间光调制器24上。第三半波片21用来旋转光束的偏振方向，使透过激发路起偏器22的能量最大化，提高光能利用率。激发路起偏器22用来产生高质量线偏振光并保证光束的偏振方向与激发路空间光调制器24可调制的方向一致。激发路空间光调制器24上加载所需的衍射相位分布，将激发光束转化为多束光。多光束通过第四透镜25，转化为光轴平行的激发光光束阵列，同时，激发光光束阵列中的每束光聚焦在第四透镜25的焦面上，并被放置于第四透镜25焦面上的激发路小孔阵列26进行空间滤波，滤除边缘杂散光，提高光束质量。激发光光束阵列经过激发路小孔阵列26后再经过第三微透镜阵列27转化为平行光束阵列。被转为平行光的激发光阵列再经过激发路多通道声光调制器28，每束光的强度和通断可以被激发路多通道声光调制器28中相对应的通道调制。激发光光束阵列从激发路多通道声光调制器28中出射后依次经过第四半波片29和激发路四分之一波片30，阵列中的每束光被转化为圆偏光。此时，激发光光束阵列中的每一束光皆为圆偏光，该光束阵列再依次经过第四微透镜阵列31、第五透镜32、第六透镜33后入射到二色镜18上。

其中，抑制路小孔阵列8中的小孔数量、第一微透镜阵列9中微透镜的数量、高通量暗斑生成器件10中相位掩膜的数量、抑制路多通道声光调制器11中通道的数量、第二微透镜阵列14中微透镜的数量、激发路小孔阵列26中小孔的数量、第三微透镜阵列27中微透镜的数量、激发路多通道声光调制器28中通道的数量、第四微透镜阵列31中微透镜的数量、抑制路光束阵列中光束的数量与激发光光束阵列中光束的数量相同；抑制路小孔阵列8中的各小孔的光轴、第一微透镜阵列9中各微透镜的光轴、高通量暗斑生成器件10中相位掩膜的光轴、抑制路多通道声光调制器11中通道的光轴、第二微透镜阵列14中各微透镜的光轴与抑制路光束阵列中的各光轴一一对应且同轴；激发路小孔阵列26中各小孔的光轴、第三微透镜阵列27中各微透镜的光轴、激发路多通道声光调制器28中各通道的光轴、第四微透镜阵列31中各微透镜的光轴与激发光光束阵列中光束的光轴一一对应且同轴。

其中，二色镜18对抑制光光束透射、对激发光光束反射。抑制光光束阵列和激发光光束阵列中各光束同轴，并经二色镜18合束。合束后的光束阵列依次经过第七透镜34、半反半透镜35、第八透镜36、场镜37后被物镜38聚焦在物镜38焦面处，抑制光光束阵列聚焦形成暗斑阵列，图2所示为本实施例产生的高通量暗斑阵列；激发光光束阵列聚焦形成实心光斑阵列，图3所示为本实施例产生的高通量实心光斑阵列；空心暗斑与实心光斑数量相同，每一个暗斑与实心光斑中心重合，抑制激光器发出的激光所形成的暗斑可以抑制实心光斑的作用区域，实现超分辨焦斑阵列，图4为本实施例产生的高通量超分辨焦斑阵列，利用该超分辨焦斑阵列可以实现超分辨显微成像和激光直写加工。

其中，高精度的位移台39用于放置样品，并实现对样品的高精度三维扫描。半反半透镜35放置于第七透镜34和第八透镜36之间，将光束阵列的一部分能量反射经过第九透镜40后进入彩色面阵探测器41成像，对焦斑阵列质量进行监测。半反半透镜35也可以替换为反射镜，在执行成像或直写加工前将光束全部反射进入彩色面阵探测器41，在确认光斑质量之后将其移出光路。第二透镜15与第三透镜16、第五透镜32与第六透镜33、第七透镜34与第八透镜36、第七透镜34与第九透镜40均为4f系统。抑制光光束阵列和激发光光束阵列分别经过第二微透镜阵列14和第四微透镜阵列31后，在两个微透镜阵列焦面处形成暗斑阵列和实心斑阵列，两种焦斑阵列再分别经过相应的4f系统，最后成像在物镜38的焦面处，形成大通量的超衍射极限焦斑阵列。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置，其特征在于，包括抑制光激光器、抑制路准直器、第一半波片、抑制路起偏器、第一反射镜、抑制路空间光调制器、第一透镜、抑制路小孔阵列、第一微透镜阵列、高通量暗斑生成器件、抑制路多通道声光调制器、第二半波片、抑制路四分之一波片、第二微透镜阵列、第二透镜、第三透镜、第二反射镜、二色镜、激发光激光器、激发路准直器、第三半波片、激发路起偏器、第三反射镜、激发路空间光调制器、第四透镜、激发路小孔阵列、第三微透镜阵列、激发路多通道声光调制器、第四半波片、激发路四分之一波片、第四微透镜阵列、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、场镜和物镜；抑制光激光器发出的抑制光光束依次经过抑制路准直器、第一半波片、抑制路起偏器、第一反射镜、抑制路空间光调制器、第一透镜、抑制路小孔阵列、第一微透镜阵列、高通量暗斑生成器件、抑制路多通道声光调制器、第二半波片、抑制路四分之一波片、第二微透镜阵列、第二透镜、第三透镜、第二反射镜后，生成抑制光光束阵列到达二色镜；激发光激光器发出的激发光光束依次经过激发路准直器、第三半波片、激发路起偏器、第三反射镜、激发路空间光调制器、第四透镜、激发路小孔阵列、第三微透镜阵列、激发路多通道声光调制器、第四半波片、激发路四分之一波片、第四微透镜阵列、第五透镜、第六透镜后，生成激发光光束阵列到达二色镜；二色镜对抑制光光束阵列透射、对激发光光束阵列反射，抑制光光束阵列和激发光光束阵列经二色镜合束后的光束阵列依次经过第七透镜、第八透镜、场镜、物镜后聚焦在物镜焦面处，抑制光光束阵列在物镜焦面处形成暗斑阵列，激发光光束阵列在物镜焦面处形成实心光斑阵列，共同形成可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑。

2.如权利要求1所述可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置，其特征在于，所述高通量暗斑生成器件为两侧表面分别増镀遮光层和增透膜的透明基底；其中，刻蚀透明基底表面的遮光层，刻蚀位置形成阵列；并在透明基底上刻写0-2π涡旋相位板，刻写位置与其遮光层刻蚀位置相同，得到0-2π涡旋相位阵列。

3.如权利要求2所述可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置，其特征在于，所述透明基底为玻璃或塑料。

4.如权利要求2所述可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置，其特征在于，所述抑制光光束阵列中的每一束光皆为带有0-2π涡旋相位的圆偏光；所述激发光光束阵列中的每一束光皆为圆偏光。

5.如权利要求2所述可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置，其特征在于，所述抑制路小孔阵列中各小孔的光轴、第一微透镜阵列中各微透镜的光轴、高通量暗斑生成器件中各相位掩膜的光轴、抑制路多通道声光调制器中各通道的光轴、第二微透镜阵列中各微透镜的光轴、激发路小孔阵列中各小孔的光轴、第三微透镜阵列中各微透镜的光轴、激发路多通道声光调制器中各通道的光轴、第四微透镜阵列中各微透镜的光轴、抑制路光束阵列中各光束的光轴与激发光光束阵列中各光束的光轴均一一对应且同轴。

6.如权利要求1所述可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置，其特征在于，进入抑制路多通道声光调制器的每束光的强度和通断，由抑制路多通道声光调制器中相应的通道单独调控；进入激发路多通道声光调制器的每束光的强度和通断，由激发路多通道声光调制器中相应的通道单独调控。

7.如权利要求1所述可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑生成装置，其特征在于，每个暗斑通过抑制对应实心光斑的作用区域形成可特异性调控的高通量超衍射极限焦斑。

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