CN112286014B - 一种基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置 - Google Patents

一种基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置，属于超分辨激光微纳加工领域。直写激光器输出的光束经过声光调制器强度调制后被准直器准直为平行光束，再经过起偏器、1/2波片和涡旋半波片被转化为切向偏振光；抑制激光器输出的光束经过声光调制器强度调制后被准直器准直为平行光束，再经过起偏器、1/2波片和涡旋半波片被转化为径向向偏振光；两个柱状矢量偏振光分别依次经过两个圆锥透镜整形为环形平行光束；之后两束光进行合束变为一路光被高数值孔径物镜聚焦；环形径向偏振光聚焦成为实心光斑，环形切向偏振光聚焦成为空心暗斑；两种光斑的半高全宽都小于同等聚焦条件下的圆偏光形成的光斑，因此可以获得更高的打印分辨率。

Description

一种基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置
技术领域
本发明属于激光直写加工领域，特别涉及一种基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置。
背景技术
双光子激光打印技术是微纳加工领域中的一种直写加工技术，其基于光学非线性效应，利用高功率激发下的物质双光子吸收效应，极大的缩小了直写光斑的作用区间，进而提升了加工分辨率。不过，基于双光子吸收的激光直写打印技术虽然在理论上突破了衍射极限，但是由于目前所使用的的激发双光子吸收效应的波长较长，所以这项技术还很难突破亚百纳米分辨率。
双光子激光打印技术虽然无法达到投影式微纳加工技术的分辨率，但因其也有其他微纳加工技术无法媲美的技术优势，所以双光子激光打印技术依然在当今的微纳加工领域中占有重要的地位。其优势在于：第一，双光子激光打印技术具有本征的三维加工特点，由于光束可以聚焦到光刻胶内部，所以激光打印技术都具有加工任意三维结构的能力，这是其他微纳加工技术如电子束曝光、离子束刻蚀等技术无法实现的；第二，双光子激光打印技术无需掩膜版，也不需要苛刻的真空环境，所以设备的成本较低；第三，相对于电子束曝光技术，双光子打印在加工速度上具有明显优势。
为此，为了充分发挥双光子激光打印技术的优势，需要针对双光子激光打印技术的分辨率短板进行提升。本发明利用边缘光抑制原理，基于柱状矢量偏振光束提出了一种新型的双光子打印装置，可以有效的进一步提升双光子打印技术的分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于柱状矢量偏振光束的超分辨激光打印装置。利用以上装置，可以产生超越衍射极限的焦斑，将该焦斑应用于双光子激光打印技术，可以进一步提升双光子激光打印装置的分辨率和精度。同时该装置还可以用于FED、STED等超分辨成像技术，进一步提升成像分辨率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于柱状矢量偏振光束的双光子激光打印装置，包括两个光路，一路为直写光路，另一路为抑制光路，其特征在于：所述直写光路的光束经调制后聚焦在样品上形成实心的直写光斑，抑制光路的光束经过调制后形成空心光斑，两个光斑位置重合，通过空心光斑的抑制作用，缩小直写光斑的作用区域，进而提升打印分辨率。
进一步的，直写路激光器、直写路声光调制器、直写路准直器、直写路分光镜、直写路光束稳定装置、直写路起偏器、直写路1/2波片、直写路涡旋半波片、直写路第一圆锥透镜、直写路第二圆锥透镜、直写路第一透镜、直写路第二透镜；所述直写路激光器发出的780nm的光经过直写路声光调制器后进入直写路准直器，光束通过直写路准直器扩束并准直为平行光束，平行光束经过直写路分光镜、直写路光束稳定装置和直写路起偏器被转化为线偏光；线偏光经过直写路1/2波片后再经过直写路涡旋半波片被转化为径向偏振光，从直写路涡旋半波片出射的径向偏振光入射到直写路第一圆锥透镜上被转化为发散的环形光束，之后再被直写路第二圆锥透镜准直为环形平行光束；环形平行光束再经过直写路第一透镜和直写路第二透镜组成的4f系统进行缩束后入射到合束二色镜上。
进一步的，所述抑制光路包括：抑制路激光器、抑制路声光调制器、抑制路准直器、抑制路分光镜、抑制路光束稳定装置、抑制路起偏器、抑制路1/2波片、抑制路涡旋半波片、抑制路第一圆锥透镜、抑制路第二圆锥透镜、抑制路第一透镜、抑制路第二透镜；所述抑制路激光器发出的532nm的光经过抑制路声光调制器后进入抑制路准直器，光束通过抑制路准直器扩束并准直为平行光束，平行光束在经过抑制路分光镜、抑制路光束稳定装置和抑制路起偏器被转化为线偏光；线偏光经过抑制路1/2波片后再经过抑制路涡旋半波片被转化为切向偏振光；从抑制路涡旋半波片出射的切向偏振光入射到抑制路第一圆锥透镜上被转化为发散的环形光束，之后再被抑制路第二圆锥透镜准直为环形平行光束；环形平行光束再经过抑制路第一透镜和抑制路第二透镜组成的4f系统进行缩束后入射到反射镜上；光束被反射镜反射到合束二色镜上，与直写光束合为一路同轴光束。
进一步的，所述同轴光束经过位置探测分光镜后经过探测二色镜进入振镜扫描系统，之后再依次经过扫描镜和场镜进入物镜，被物镜聚焦在其焦面上，切向偏振光形成空心光斑，径向偏振光形成实心光斑。
进一步的，若样品为荧光样品，样品返回的荧光被物镜收集后，再依次经过场镜、扫描镜、振镜扫描系统被探测二色镜反射，经过探测透镜汇聚进入探测器。
进一步的，还包括设置在物镜的焦面处的三轴位移台，所述三轴位移台用于实现对样品或光刻胶的三维扫描和大尺寸拼接。
进一步的，所述直写路1/2波片旋转至特定位置，使线偏光经过直写路涡旋半波片后形成径向偏振光。
进一步的，所述抑制路1/2波片旋转至特定位置，使线偏光经过抑制路涡旋半波片后形成切向偏振光。
进一步的，所述振镜扫描系统为4f扫描系统；
进一步的，圆环光束需要充满物镜入瞳，以最大限度利用物镜数值孔径。
本发明的有益效果：本发明基于柱状矢量偏振光机制，利用柱状矢量偏振光中的径向偏振光产生实心光斑，其半高全宽比传统高斯光束聚焦光斑半高全宽更小；相较于采用涡旋相位圆偏光聚焦产生的空心光斑，本发明中利用柱状矢量偏振光中的切向偏振光产生的空心光斑也具有更小的中空半高全宽；采用光束整形的技术方案，可以去除聚焦光斑中的低频分量，进一步获得更小的半高全宽；相较于传统遮挡光束中心的获得圆环光束的方案，本发明采用圆锥透镜的方法，可以保留光束的全部能量，可以充分发挥激光器的最高功率。
附图说明
图1为切向偏振光束聚焦产生的空心光斑与涡旋相位圆偏光聚焦产生的空心光斑对比示意图。
图2为径向偏振光束聚焦产生的实心光斑与圆偏光聚焦产生的实心光斑比较示意图。
图3位本发明的基于柱状矢量偏振光调制的超分辨激光打印装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明中切向偏振光束聚焦产生的空心光斑与涡旋相位圆偏光聚焦产生的空心光斑对比，D为入瞳直径，保证光束充满入瞳，即充分利用物镜的数值孔径。本实例中采用的数值孔径为1.45，抑制光束的波长为532nm。图中细实线为涡旋相位圆偏光形成的空心光斑，点划线为切向偏振光形成的空心光斑，虚线为内径为0.9D的环形涡旋相位圆偏光聚焦形成的空心光斑，粗实线为切向偏振光聚焦形成的空心光斑。可以看出，采用去除低频部分的环形光束进行聚焦，无论是切向偏振光还是涡旋相位圆偏光，所聚焦形成的空心光斑的中空半高全宽都会缩小。但是同等条件下，采用切向偏振光可以获得比涡旋相位圆偏光更小的中空半高全宽。所以本发明中采用切向偏振光产生空心抑制光斑，可以获得更高的分辨率。
如图2所示，显示了径向偏振光束聚焦产生的实心光斑与圆偏光聚焦产生的实心光斑比较。直写光波长为780nm。与切向偏振光类似，采用环形径向偏振光可以减小实心光斑的半高全宽。图1中，径向偏振和圆偏振环形光束的内径皆为0.9D，但可以看出，同等条件下径向偏振光聚焦形成的光斑的高全宽比圆偏光形成的光斑半高全宽小20nm，这就意味着其可以获得更高的分辨率。
同时，如果采用遮挡的方式对光斑进行整形，则会丢失一部分光能量，如当遮挡部分达到0.8D的时候，有80%的能量损失。为了达到相同的聚焦光斑功率，必须增大激光功率，造成能源浪费。本发明提供的方法，可以将光束内部的能量转移到外部，在不损失能量的前提下形成环形光束。
如图3所示，本发明的基于柱状矢量偏振光调制的超分辨激光打印装置，分为两个光路，直写光路和抑制光路，分别对直写光束和抑制光束进行调制，最后进行合束实现激光打印。
直写光路包括：直写路激光器1、直写路声光调制器2、直写路准直器3、直写路分光镜4，直写路光束稳定装置5，直写路起偏器6、直写路1/2波片7、直写路涡旋半波片8、直写路第一圆锥透镜9、直写路第二圆锥透镜10、直写路第一透镜11、直写路第二透镜12、直写路能量探测器34。直写路激光器1发出的780nm的光经过直写路声光调制器2后进入直写路准直器3，光束通过直写路准直器3扩束并准直为平行光束，平行光束经过直写路分光镜4、直写路光束稳定装置5和直写路起偏器6被转化为线偏光。线偏光经过直写路1/2波片7后再经过直写路涡旋半波片8被转化为径向偏振光。从直写路涡旋半波片8出射的径向偏振光入射到直写路第一圆锥透镜9上被转化为发散的环形光束，之后再被直写路第二圆锥透镜10准直为环形平行光束。环形平行光束再经过直写路第一透镜11和直写路第二透镜12组成的4f系统进行缩束后入射到合束二色镜13上。
抑制光路包括：抑制路激光器14、抑制路声光调制器15、抑制路准直器16、抑制路分光镜17、抑制路光束稳定装置18、抑制路起偏器19、抑制路1/2波片20、抑制路涡旋半波片21、抑制路第一圆锥透镜22、抑制路第二圆锥透镜23、抑制路第一透镜24、抑制路第二透镜25。抑制路激光器14发出的532nm的光经过抑制路声光调制器15后进入抑制路准直器16，光束通过抑制路准直器16扩束并准直为平行光束，平行光束在经过抑制路分光镜17、抑制路光束稳定装置18和抑制路起偏器19被转化为线偏光。线偏光经过抑制路1/2波片20后再经过抑制路涡旋半波片21被转化为切向偏振光。从抑制路涡旋半波片21出射的切向偏振光入射到抑制路第一圆锥透镜22上被转化为发散的环形光束，之后再被抑制路第二圆锥透镜23准直为环形平行光束。环形平行光束再经过抑制路第一透镜24和抑制路第二透镜25组成的4f系统进行缩束后入射到反射镜26上。光束被反射镜26反射到合束二色镜13上，与直写光束合为一路同轴光束。
同轴光束经过位置探测分光镜27和探测二色镜28后进入振镜扫描系统29，之后再依次经过扫描镜30和场镜31进入物镜32，被物镜32聚焦在其焦面上，切向偏振光形成空心光斑，径向偏振光形成实心光斑。光刻胶样品置于三轴位移台33上实现三维打印。如果样品为荧光样品，那么样品返回的荧光，被物镜32收集后，再依次经过场镜31、扫描镜30、振镜扫描系统29被探测二色镜28反射，经过探测透镜38汇聚进入探测器39。
装置中，直写路分光镜4分出的光束进入能量探测器34，实时监测直写路激光能量，并在能量产生波动时反馈给直写路声光调制2器进行调整；优选的，分光镜采用薄膜分束镜，只分出少量能量进行探测。
装置中，抑制路分光镜17分出的光束进入能量探测器34，实时监测抑制路激光能量，并在能量产生波动时反馈给抑制路声光调制器15进行调整；优选的，分光镜采用薄膜分束镜，只分出少量能量进行探测。
装置中，探测分光镜27分束的部分光束经过位置探测透镜36进入彩色CCD36成像，实时监测光斑位置和重合度。位置探测透镜36为消色差透镜。优选的，探测分光镜27采用薄膜分束镜，只分出少量能量进行探测。
装置中，可以通过调整直写路准直器2和抑制路准直器15来调制光束出射直径，进而调整圆环光束的内径，光束越细，通过圆锥透镜形成的环形光束内径越大。由于本发明提供的方法不存在能量损失，所以环形光束的内径可以达到0.9D或者更高。
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 (9)

1.一种基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置，包括两个光路，一路为直写光路，另一路为抑制光路，其特征在于：所述直写光路的光束经调制后聚焦在样品上形成实心的直写光斑，抑制光路的光束经过调制后形成空心光斑，两个光斑位置重合，通过空心光斑的抑制作用，缩小直写光斑的作用区域，进而提升打印分辨率；
所述直写光路包括：直写路激光器（1）、直写路声光调制器（2）、直写路准直器（3）、直写路分光镜（4）、直写路光束稳定装置（5）、直写路起偏器（6）、直写路1/2波片（7）、直写路涡旋半波片（8）、直写路第一圆锥透镜（9）、直写路第二圆锥透镜（10）、直写路第一透镜（11）、直写路第二透镜（12）；所述直写路激光器（1）发出的780nm的光经过直写路声光调制器（2）后进入直写路准直器（3），光束通过直写路准直器（3）扩束并准直为平行光束，平行光束经过直写路分光镜（4）、直写路光束稳定装置（5）和直写路起偏器（6）被转化为线偏光；线偏光经过直写路1/2波片（7）后再经过直写路涡旋半波片（8）被转化为径向偏振光，从直写路涡旋半波片（8）出射的径向偏振光入射到直写路第一圆锥透镜（9）上被转化为发散的环形光束，之后再被直写路第二圆锥透镜（10）准直为环形平行光束；环形平行光束再经过直写路第一透镜（11）和直写路第二透镜（12）组成的4f系统进行缩束后入射到合束二色镜（13）上。
2.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置，其特征在于：所述抑制光路包括：抑制路激光器（14）、抑制路声光调制器（15）、抑制路准直器（16）、抑制路分光镜（17）、抑制路光束稳定装置（18）、抑制路起偏器（19）、抑制路1/2波片（20）、抑制路涡旋半波片（21）、抑制路第一圆锥透镜（22）、抑制路第二圆锥透镜（23）、抑制路第一透镜（24）、抑制路第二透镜（25）；所述抑制路激光器（14）发出的532nm的光经过抑制路声光调制器（15）后进入抑制路准直器（16），光束通过抑制路准直器（16）扩束并准直为平行光束，平行光束在经过抑制路分光镜（17）、抑制路光束稳定装置（18）和抑制路起偏器（19）被转化为线偏光；线偏光经过抑制路1/2波片（20）后再经过抑制路涡旋半波片（21）被转化为切向偏振光；从抑制路涡旋半波片（21）出射的切向偏振光入射到抑制路第一圆锥透镜（22）上被转化为发散的环形光束，之后再被抑制路第二圆锥透镜（23）准直为环形平行光束；环形平行光束再经过抑制路第一透镜（24）和抑制路第二透镜（25）组成的4f系统进行缩束后入射到反射镜（26）上；光束被反射镜（26）反射到合束二色镜（13）上，与直写光束合为一路同轴光束。
3.如权利要求2所述的基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置，其特征在于：所述同轴光束经过位置探测分光镜（27）后经过探测二色镜（28）进入振镜扫描系统（29），之后再依次经过扫描镜（30）和场镜（31）进入物镜（32），被物镜（32）聚焦在其焦面上，切向偏振光形成空心光斑，径向偏振光形成实心光斑。
4.如权利要求3所述的基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置，其特征在于：若样品为荧光样品，样品返回的荧光被物镜（32）收集后，再依次经过场镜（31）、扫描镜（30）、振镜扫描系统（29）被探测二色镜28反射，经过探测透镜（38）汇聚进入探测器（39）。
5.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置，其特征在于：还包括设置在物镜（32）的焦面处的三轴位移台（33），所述三轴位移台（33）用于实现对样品或光刻胶的三维扫描和大尺寸拼接。
6.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置，其特征在于：所述直写路1/2波片（7）旋转至特定位置，使线偏光经过直写路涡旋半波片后形成径向偏振光。
7.如权利要求2所述的基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置，其特征在于：所述抑制路1/2波片旋转至特定位置，使线偏光经过抑制路涡旋半波片后形成切向偏振光。
8.如权利要求3所述的基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置，其特征在于：所述振镜扫描系统（29）为4f扫描系统。
9.如权利要求1所述的基于柱状矢量偏振光的超分辨激光打印装置，其特征在于：圆环光束需要充满物镜入瞳，以最大限度利用物镜数值孔径。
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