CN112045303A - 基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置，该装置首先生成抑制光光束阵列，将每路激光耦合至涡旋光纤，既可形成携带涡旋相位的光束，又可以减少器件成本和系统空间，再通过多通道声调制器进行特异性强度调制产生高通量暗斑；同时激发光光束阵列耦合进入激发路光纤阵列，再通过多通道声光调制器进行特异性强度调制产生实心光斑的；最后两种光束阵列进行合束，通过物镜聚焦形成两种相互叠加的光斑阵列，通过暗斑对实心光斑作用范围的抑制作用形成超分辨焦斑阵列。本发明可实现对暗斑的独立调控，用以实现高通量的激光直写加工和并行超分辨显微成像，有效提升加工速度和成像速度的提升；不需要额外的调制器件，系统结构紧凑。

Description

基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置

技术领域

本发明属于光学工程领域，尤其涉及一种基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置。

背景技术

近年来，飞秒激光直写微纳加工技术得到了多领域交叉的飞速发展和多样化的广泛应用，取得了一系列相关成果。作为一种非线性光加工技术，它与传统光刻技术相比具有诸多显著的优点：1、高分辨率和低热损伤。2、真三维、易集成加工、高可设计性与可控性。3、材料广泛性好、加工环境要求低。除特殊情况外，飞秒激光直写加工可以在大气、溶剂、水溶液等常见环境条件下实现的，不需高真空等特殊加工环境，因而具有良好的工业化应用前景。除特殊情况外，飞秒激光直写加工一般是在大气、溶剂、水溶液等常见环境条件下实现的，不需高真空等特殊加工环境，因而具有良好的工业化应用前景。但是，目前主流的基于单光束的飞秒激光直写加工的方法本质上受光学衍射极限限制，其聚焦斑的最小尺度约为光波长的一半，因而加工空间分辨率受到限制，无法实现更高精度和更高分辨率的加工。而对应于各领域的不同应用需求来说，线宽及分辨率达到几十个纳米甚至更高无疑会更具有吸引力。同时，单光束直写系统加工速度较慢，在很多实际场景中难以满足需求。

双光束激光直写技术在上述原有单光束激光直写技术的基础上，增加另外一束共路抑制光，在焦面上形成一个空心光斑，从而抑制发生聚合反应的区域，进而突破衍射极限，实现亚百纳米的分辨率。当前双光束激光直写技术已经得到了一定的发展。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。2019年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。

不过，目前该技术的发展仅仅是在分辨率方面获得了巨大的突破，其系统和技术方案仍属于低通量的加工范畴。要想进一步支撑未来半导体行业甚至是信息社会发展，必须将现有低通量技术发展迭代为高通量加工技术，进而成为可为工业界应用的技术。而采用多路并行加工的方式是实现高通量加工，提升加工速度最直接有效的方法。为实现多路的双光束激光直写，需要多路并行的高通量暗斑阵列来配合实现。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置，包括抑制光激光器阵列、抑制路涡旋光纤阵列、第一微透镜阵列、第一多通道声光调制器、第一半波片、第一四分之一波片、第二微透镜阵列、第一小孔阵列、第一透镜、第二透镜、反射镜、激发光激光器阵列、激发路光纤阵列、第三微透镜阵列、第二多通道声光调制器、第二半波片、第二四分之一波片、第四微透镜阵列、第二小孔阵列、第三透镜、第四透镜、二色镜、第五透镜、第六透镜、场镜和物镜；抑制光激光器阵列发出的抑制光光束阵列依次经过抑制路涡旋光纤阵列、第一微透镜阵列、第一多通道声光调制器、第一半波片、第一四分之一波片、第二微透镜阵列、第一小孔阵列、第一透镜、第二透镜、反射镜后到达二色镜；二色镜对抑制光光束阵列透射，抑制光光束阵列再依次经过第五透镜、第六透镜、场镜和物镜后，在物镜焦面处生成暗斑阵列；激发光激光器阵列发出的激发光光束阵列依次经过激发路光纤阵列、第三微透镜阵列、第二多通道声光调制器、第二半波片、第二四分之一波片、第四微透镜阵列、第二小孔阵列、第三透镜、第四透镜后到达二色镜；二色镜对激发光光束阵列反射，激发光光束阵列再依次经过第五透镜、第六透镜、场镜和物镜后，在物镜焦面处生成实心光斑阵列；暗斑阵列与实光斑阵列中光斑数量相同且位置一一对应，暗斑抑制实心光斑作用区域产生高通量超分辨焦斑阵列。

进一步地，所述抑制光激光器阵列产生的各光束、抑制路涡旋光纤阵列中的各光纤出口、第一微透镜阵列中的各微透镜、第一多通道声光调制器中的各通道、第二微透镜阵列中的各微透镜、第一小孔阵列中的各小孔、激发光激光器阵列产生的各光束、激发路光纤阵列中的各光纤出口、第三微透镜阵列中的各微透镜、第二多通道声光调制器中的各通道、第四微透镜阵列中的各微透镜和第二小孔阵列中的各小孔一一对应且同分布。

进一步地，所述实心光斑阵列中的光斑与暗斑阵列中的暗斑一一对应且中心重合。

进一步地，所述第一多通道声光调制器和第二多通道声光调制器对进入的光束阵列通过各光束的相应通道进行光束能量的独立调控。

进一步地，所述激发路光纤阵列为激发路保偏光纤阵列。

本发明的有益效果：本发明使用涡旋光纤对光束进行调制，既可形成携带涡旋相位的光束，又可以减少器件成本和系统空间；再将涡旋激光阵列聚焦入射到样品上，可以产生高通量暗斑阵列；暗斑阵列与同分布的实心版阵列叠加，生成超分辨焦斑阵列；本发明可实现对各个焦斑的独立调控；用以实现高通量的双光束激光直写加工和并行超分辨显微成像，有效提升加工速度和成像速度；不需要额外的调制器件，系统结构紧凑。

附图说明

图1为本发明提供的基于光纤的高通量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分辨焦斑阵列示意图；

图中：抑制光激光器阵列1、抑制路涡旋光纤阵列2、第一微透镜阵列3、第一多通道声光调制器4、第一半波片5、第一四分之一波片6、第二微透镜阵列7、第一小孔阵列8、第一透镜9、第二透镜10、反射镜11、二色镜12、激发光激光器阵列13、激发路光纤阵列14、第三微透镜阵列15、第二多通道声光调制器16、第二半波片17、第二四分之一波片18、第四微透镜阵列19、第二小孔阵列20、第三透镜21、第四透镜22、第五透镜23、半反半透镜24、第六透镜25、场镜26、物镜27、位移台28、第七透镜29、彩色面阵探测器30。

具体实施方式

图1中只以3路光为例并且只画出了每束光的主光线加以说明，实际的数量和排布不限。

如图1所示，本发明一种基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置，包括抑制光激光器阵列1、抑制路涡旋光纤阵列2、第一微透镜阵列3、第一多通道声光调制器4、第一半波片5、第一四分之一波片6、第二微透镜阵列7、第一小孔阵列8、第一透镜9、第二透镜10、反射镜11、二色镜12、激发光激光器阵列13、激发路光纤阵列14、第三微透镜阵列15、第二多通道声光调制器16、第二半波片17、第二四分之一波片18、第四微透镜阵列19、第二小孔阵列20、第三透镜21、第四透镜22、第五透镜23、半反半透镜24、第六透镜25、场镜26、物镜27、位移台28、第七透镜29和彩色面阵探测器30。其中，激发路光纤阵列优选激发路保偏光纤阵列。

抑制光激光器阵列1产生特定波长为532nm的抑制光光束阵列，随后每一束光被耦合进入抑制路涡旋光纤阵列2中。抑制路涡旋光纤阵列2中每一根光纤的出射口镀有涡旋相位掩膜，出射后的抑制光光束阵列中的各光束被调制，携带涡旋相位；抑制路涡旋光纤阵列2的光纤出口按照所需的阵列排布；从抑制路涡旋光纤阵列2中出射的光束阵列垂直入射到第一微透镜阵列3上，各光束被第一微透镜阵列3中的各微透镜准直为平行光，且各光束之间相互平行；光束阵列从第一微透镜阵列3出射后进入第一多通道声光调制器4，各光束进入相应的通道中，实现对光束能量的独立快速调控；出射后的光束阵列依次经过第一半波片5和第一四分之一波片6转化为圆偏光，再经过第二微透镜阵列7，各光束被第二微透镜阵列7的各微透镜聚焦至焦面处，被放置于第二微透镜阵列8焦面处的第一小孔阵列8空间滤波，滤除边缘杂散光；滤波后的光束阵列依次经过第一透镜9、第二透镜10、反射镜11后入射到二色镜12上。

激发光激光器阵列13产生特定波长为775nm的激发光光束阵列，随后每一束光被耦合进入激发路光纤阵列14中。激发路光纤阵列14光纤出口的排布与涡旋光纤阵列1排布相同；从激发路光纤阵列13中出射的光束阵列垂直入射到第三微透镜阵列15上，各光束被第三微透镜阵列15中的各微透镜准直为平行光，且各光束之间相互平行；光束阵列从第三微透镜阵列15出射后进入第二多通道声光调制器16，各光束进入相应的通道中，实现对光束能量的独立快速调控；出射后的光束阵列依次经过第二半波片17和第二四分之一波片18转化为圆偏光，再经过第四微透镜阵列19；各光束被第四微透镜阵列19的各微透镜聚焦至焦面处，被放置于第四微透镜阵列19焦面处的第二小孔阵列20空间滤波，滤除边缘杂散光；滤波后的光束阵列依次经过第三透镜21、第四透镜22后入射到二色镜12上。

二色镜12对抑制光束透射，对激发光束反射，实现对抑制光束阵列和激发光束阵列合束；合束后的光束阵列依次经过第五透镜23、半反半透镜24、第六透镜25、场镜26和物镜27，在物镜27的焦面处聚焦，抑制光光束阵列聚焦为如图2所示的暗斑阵列，激发光光束阵列聚焦为如图3所示的实心光斑阵列；两个阵列中光斑的数量和排布相同、位置相同；暗斑通过抑制实心光斑作用区域，实现超分辨焦斑，因此可以在物镜焦面处产生如图4所示的高通量超分辨焦斑阵列。该焦斑阵列可用于实现高通量激光直写加工和超分辨成像；高精度的位移台28用于放置样品，实现对样品的扫描。

装置中，抑制路涡旋光纤阵列2中的各光纤出口、第一微透镜阵列3中的各微透镜、第一多通道声光调制器4中的各通道、第二微透镜阵列7中的各微透镜、第一小孔阵列8中的各小孔、激发路光纤阵列14中的各光纤出口、第三微透镜阵列15中的各微透镜、第二多通道声光调制器16中的各通道、第四微透镜阵列19中的各微透镜和第二小孔阵列20中的各小孔为相同分布。

装置中，抑制光激光器阵列产生的光束数量、抑制路涡旋光纤阵列2中光纤的数量、第一微透镜阵列3中微透镜的数量、第一多通道声光调制器4中通道的数量、第二微透镜阵列7中微透镜的数量、第一小孔阵列8中小孔的数量、激发光激光器阵列产生的光束数量、激发路光纤阵列14中光纤的数量、第三微透镜阵列15中微透镜的数量、第二多通道声光调制器16中通道的数量、第四微透镜阵列19中微透镜的数量与第二小孔阵列20中小孔的数量相同。

装置中，第一透镜9与第二透镜10、第三透镜21与第四透镜22、第五透镜13与第六透镜15、第五透镜13与第七透镜19分别组成4f系统。第二微透镜阵列8与第四微透镜19的焦面分别与物镜27的焦面满足成像关系；微透镜阵列的焦面与物镜焦面共轭。光束阵列被微透镜聚焦后在微透镜阵列焦面形成光斑阵列，该阵列被成像到物镜的焦面上。

装置中，半反半透镜14将光束阵列的一部分能量反射，经第七透镜29后进入彩色面阵探测器30进行成像，对焦斑阵列质量进行检测。

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 (5)

1.一种基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置，其特征在于，包括抑制光激光器阵列、抑制路涡旋光纤阵列、第一微透镜阵列、第一多通道声光调制器、第一半波片、第一四分之一波片、第二微透镜阵列、第一小孔阵列、第一透镜、第二透镜、反射镜、激发光激光器阵列、激发路光纤阵列、第三微透镜阵列、第二多通道声光调制器、第二半波片、第二四分之一波片、第四微透镜阵列、第二小孔阵列、第三透镜、第四透镜、二色镜、第五透镜、第六透镜、场镜和物镜；抑制光激光器阵列发出的抑制光光束阵列依次经过抑制路涡旋光纤阵列、第一微透镜阵列、第一多通道声光调制器、第一半波片、第一四分之一波片、第二微透镜阵列、第一小孔阵列、第一透镜、第二透镜、反射镜后到达二色镜；二色镜对抑制光光束阵列透射，抑制光光束阵列再依次经过第五透镜、第六透镜、场镜和物镜后，在物镜焦面处生成暗斑阵列；激发光激光器阵列发出的激发光光束阵列依次经过激发路光纤阵列、第三微透镜阵列、第二多通道声光调制器、第二半波片、第二四分之一波片、第四微透镜阵列、第二小孔阵列、第三透镜、第四透镜后到达二色镜；二色镜对激发光光束阵列反射，激发光光束阵列再依次经过第五透镜、第六透镜、场镜和物镜后，在物镜焦面处生成实心光斑阵列；暗斑阵列与实光斑阵列中光斑数量相同且位置一一对应，暗斑抑制实心光斑作用区域产生高通量超分辨焦斑阵列。

2.如权利要求1所述基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置，其特征在于，所述抑制光激光器阵列产生的各光束、抑制路涡旋光纤阵列中的各光纤出口、第一微透镜阵列中的各微透镜、第一多通道声光调制器中的各通道、第二微透镜阵列中的各微透镜、第一小孔阵列中的各小孔、激发光激光器阵列产生的各光束、激发路光纤阵列中的各光纤出口、第三微透镜阵列中的各微透镜、第二多通道声光调制器中的各通道、第四微透镜阵列中的各微透镜和第二小孔阵列中的各小孔一一对应且同分布。

3.如权利要求1所述基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置，其特征在于，所述实心光斑阵列中的光斑与暗斑阵列中的暗斑一一对应且中心重合。

4.如权利要求1所述基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置，其特征在于，所述第一多通道声光调制器和第二多通道声光调制器对进入的光束阵列通过各光束的相应通道进行光束能量的独立调控。

5.如权利要求1所述基于光纤的高通量超分辨焦斑生成装置，其特征在于，所述激发路光纤阵列为激发路保偏光纤阵列。

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