CN207301512U - 一种微纳米光场实时构建调制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微纳米光场实时构建调制系统，该系统包括光源、空间过滤单元、4F光学系统和光波调制单元，所述4F光学系统包括沿光路依次设置的第一透镜(组)和第二透镜(组)，本实用新型通过位相元件或位相元件组实现对入射波面实时的调控，通过空间过滤单元实现对入射光子波面、光波调制光学元器件像素选择、像素有效区域、成像面光场空间滤波等参数调控，最终利用空间滤波/空间分时滤波和/或位相元件的相对位置变化，实现图案、图案分布区域以及图案的空频、取向、占空比以及相位或相移量等结构参数的连续调制。该系统可灵活集成于各种光刻或显微系统中，实现任意微纳米结构的实时写入和可调制微纳米结构光检测。

Description

一种微纳米光场实时构建调制系统

技术领域

本实用新型涉及一种微纳米光场实时构建调制系统，具体涉及空间滤波或空间滤波分时复用、多子波面实时、分立、连续调制的实时微纳米光场实时构建调制系统，应用于微纳米结构加工、激光共焦显微成像、生物荧光检测和微纳米形貌检测。

背景技术

干涉光刻或全息光刻是一种高效制备大幅面微纳米结构的技术，干涉光刻制备的微纳米结构，其周期由干涉光束的波长与夹角共同确定(周期大小与干涉波长成正比，与干涉光束夹角的正弦值成反比)；其取向由干涉光束的波矢决定；其条纹位相分布由干涉光束的相对位相差决定。干涉光刻可与其他技术如蒸镀、刻蚀等自由组合，为微纳米结构在光子晶体、生物医学、微电子等领域的应用提供基础。

干涉光刻系统分为分振幅(Amplitude-splitting configurations)干涉系统和分波面(Wavefront-splitting configurations)干涉系统，两种系统均通过分光器件将入射光分为两束或两束以上相干光进行干涉，通常选用半透半反镜、棱镜、光栅、衍射掩膜以及Lloyd’s镜等作为分光器件。无论采用何种分光器件实现多光束干涉，其制备的微纳米结构的结构参数为固定值，不可实时变化。即使采用万向镜(gimbal mirror)，也只能在有限的范围内改变微纳米结构的周期，而基于gimbal mirror实现周期和取向两种参数实时变化的干涉系统，其光学设置十分复杂。

为实现微纳米结构空频调制，专利U.S.patent 5,132,812及其改进专利U.S.patent 5,262,879、U.S.patent 5,822,092以及U.S.patent 5,132,812通过三组不同夹角的光束干涉形成了三种不同空频的光栅像素，实现了光栅空频的离散调制。中国专利CN01134127.0、200510095775.2、200510095776.7、CN201010238377.2以及CN201010503788.X公开了一种以二元光栅作为分光元件，通过切换不同空频的分光光栅来实现空频的离散调制。

而目前基于微纳米结构的新材料，如新型颜色显示、真彩色3D显示以及超颖表面材料(metasurface)，对光刻系统提出了周期、取向、占空比甚至图案等参数实时制备的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种微纳米光场实时构建调制系统，可灵活集成于各种光刻系统中，实现微纳米结构的实时制备，亦可集成于各种显微系统中，提供可调制结构光照明。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种微纳米光场实时构建调制系统，包括光源、空间过滤单元、4F光学系统和光波调制单元，所述4F光学系统包括沿光路依次设置的第一透镜(组)和第二透镜(组)，所述光波调制单元设置于所述第一透镜(组)和第二透镜(组)之间，该光波调制单元对入射光或子波面分立调制；所述空间过滤单元位于4F光学系统之前或之后，该空间过滤单元对入射光波面、光波调制单元像素选择、像素有效区域、成像面光场空间滤波中至少一个参量调控，在系统的后焦面产生图案、图案位置、图案面积以及图案结构参数实时可调的光场分布。

优选的，在上述的微纳米光场实时构建调制系统中，所述图案包括图案构成、图案位置、图案面积大小等参数。所述图案结构参数包括图案的周期、取向、相位或相移量和占空比。

优选的，在上述的微纳米光场实时构建调制系统中，所述光场分布由单个或多个干涉光场组成。

优选的，在上述的微纳米光场实时构建调制系统中，所述图案构成、位置、面积大小、以及所述图案的结构参数实时、分立或同步、连续可调。

优选的，在上述的微纳米光场实时构建调制系统中，所述光波调制单元选自下述任一方式：

(a)、所述光波调制单元为单个位相元件，对入射光调制，通过空间过滤单元限定/选择入射光场或出射光场和/或位相元件位移变化、和/或旋转，实现图案位置、图案面积以及图案结构参数可调的光场分布；

(b)、所述光波调制单元为空间变参量位相元件，该位相元件至少由两个不同结构分布的子像素组成，通过空间过滤单元选用不同的子像素实现对各子波面的光场调制，并在系统的后焦面产生实现不同图案、图案位置、图案面积的光场分布；通过分时空间滤波、和/或位相元件组件位移变化、和/或旋转实现对各子波面的光场调制，并在系统的后焦面产生结构参数可调的光场分布；

(c)、所述光波调制单元为空间变参量位相元件，该位相元件至少由两个不同结构分布的子像素组成，通过空间过滤单元选用子像素的不同区域实现对各子波面的光场调制，并在系统的后焦面产生实现不同图案、图案位置、图案面积的光场分布；通过分时空间滤波、和/或位相元件组件位移变化、和/或旋转实现对各子波面的光场调制，并在系统的后焦面产生结构参数可调的光场分布；

(d)、所述光波调制单元为空间变参量位相元件，该位相元件至少由两个不同结构分布的子像素组成，通过子像素实现对各子波面的光场调制，获得多个干涉光场输出，通过空间过滤单元实现对成像面不同干涉光场的选择，从而产生实现不同图案、图案位置、图案面积的光场分布；通过分时空间滤波、和/或位相元件组件位移变化、和/或旋转实现对各子波面的光场调制，产生结构参数可调的光场分布；

(e)、所述光波调制单元为多个分立的子位相元件，通过空间过滤单元限定/选择入射光场，再经子位相元件对入射光子波面的分立调制，获得多个干涉光场输出，从而产生实现不同图案、图案位置、图案面积的光场分布；通过分时空间滤波、和/或子位相元件位移变化、和/或旋转实现对各子波面的光场调制，并在系统的后焦面产生图案、结构参数可调的光场分布；

(f)、所述光波调制单元为多个分立的子位相元件，通过空间过滤单元选择子位相元件的不同区域，获得多个干涉光场输出，从而产生实现不同图案、图案位置、图案面积的光场分布；通过分时空间滤波、和/或子位相元件位移变化、和/或旋转实现对各子波面的光场调制，并在系统的后焦面产生图案、结构参数可调的光场分布；

(g)、所述光波调制单元为多个分立的子位相元件，通过各子位相元件实现对入射光子波面的光场调制，获得多个干涉光场输出，通过空间过滤单元实现对成像面不同干涉光场的选择，从而产生实现不同图案、图案位置、图案面积的光场分布；通过分时空间滤波、和/或子位相元件位移变化、和/或旋转实现对各子波面的光场调制，并在系统的后焦面产生图案结构参数可调的光场分布。

优选的，在上述的微纳米光场实时构建调制系统中，所述空间过滤单元选自光阑、灰度掩膜或可编程空间过滤单元。

优选的，在上述的微纳米光场实时构建调制系统中，所述空间过滤单元的滤波包括且不限于空间滤波的分时复用方式。

优选的，在上述的微纳米光场实时构建调制系统中，所述光源包括激光。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

(1)、空间过滤单元实现对入射光子波面、位相元件区域选择、成像面光场，实现图案、图案位置、图案面积的实时选择。

(2)、通过空间滤波和/或分时复用，实现图案、图案位置、图案面积的实时调制和/或结构参数的连续调制。

(3)、通过空间过滤单元、位相元件的平移和旋转，实现图案在单维度下结构参数的连续调制。

(4)、通过空间过滤单元、位相元件的平移和旋转，实现图案和/或图案结构参数的分立或同时连续调制。

总之，本实用新型利用空间过滤单元与光波调制单元，对入射光子波面、位相元件区域以及成像面光场等的空间滤波选择，通过空间滤波、或分时空间滤波、或分时复用空间滤波、或和位相元件的相对运动，实现各种复杂微纳米结构的实时制备，并实现其结构参数的实时、连续可调，微纳米光场实时构建调制系统可灵活集成于各种显微系统中。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本实用新型具体实施例1中基于空间滤波与单一位相元件的微纳米光场实时构建系统；其中图1(a)、(b)为空间滤波选定不同的入射子波面，所得图案的位置变化；图1(a)、(c)为空间滤波选定不同的入射子波面、位相元件平移后，图案位置不变，其对应空频/基频增大；

图2所示为本实用新型具体实施例2中基于空间滤波与空间变参量位相元件的微纳米光场实时构建系统；

图3所示为本实用新型具体实施例3中基于空间滤波与分立位相元件的微纳米光场实时构建；图3(a)基于空间滤波的微纳米光场实时构建；图3(b)空间滤波与位相元件的相对运动对微纳米光场的实时调制；

图4所示为本实用新型具体实施例4中基于空间滤波与单一位相元件的微纳米光场实时构建系统。图4(a)成像面高空频/基频的图案及其位置滤波选择；图4(b)成像面低空频/基频、变取向的图案及其位置滤波选择。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1:基于空间滤波与单一位相元件的微纳米光场实时构建系统

本实施例中所述微纳米光场实时构建调制系统如图1所示，在4F光路系统(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透镜(组)1、第二透镜(组)1和光波调制光学元件4，光波调制光学元件4可以为二元光学元件、光栅元件、全息元件或超颖表面元件。其中虚线表示4F光路系统的光轴3。

在本实施例中，若光波调制光学元件4为消0级光的二元光学元件，具有正负一级衍射光。经空间滤波后的入射光，第一透镜(组)1后的会聚光经二元光学元件4后，其正负一级衍射光分别在4F光路系统的第一透镜(组)后焦面形成两个会聚光斑。

如光波调制光学元件4为单一周期微米结构，则其在第一透镜(组)后焦面的会聚光斑相对于光轴对称。则空间滤波器提供的不同位置的入射光，经第一透镜(组)后，在成像面的相干区域将不同。如图1(a)及(b)所示，经空间滤波后，两束不同位置的入射光，在成像面的干涉位置、面积大小不同。若需在如图1(a)位置仅改变干涉图案的空频，则可通过空间滤波改变入射光子波面以及沿光轴位置平移位相元件4后如图1(c)所示，从而不改变图案分布区域，仅改变图案空频。

实施例2：基于空间滤波与空间变参量位相元件的微纳米光场实时构建系统

本实施例中所述微纳米光场实时构建调制系统如图2所示，在4F光路系统中，光波调制光学元器件为空间变参量位相元件，空间变参量位相元件5由上下依次设置的子像素50、51、52、53、54和55组成。子像素50、51、52、53、54和55中至少一个是二元光学元件、光栅元件、全息元件或超颖表面元件的一种；子像素结构可以完全相同也可以完全不同。

经空间滤波后的入射光如图2所示，分为上下两束，经第一透镜(组)1会聚，照射在位相元件组件5上。若位相元件子像素50-55均为只存在正负一级衍射光的二元光学元件，则其衍射光经第二透镜(组)后形成多束光出射，从而在4F系统的成像面实现空间变参量光场分布，干涉图案及其分布区域由对应的子像素和空间滤波提供的入射光决定。

实施例3：基于空间滤波与分立位相元件的微纳米光场实时构建系统

本实施例中所述微纳米光场实时构建调制系统如图3(a)所示，在4F光路系统中，子元件60、61、62和63组成光波调制光学元器件组，将4F光路中第一透镜(组)后面的会聚光波分成三段子波分别调制，子元件60、61、62和63中至少一个是二元光学元件、光栅元件、全息元件或超颖表面元件的一种；子元件60、61、62和63可以是周期性结构，亦可以为非周期性结构；子元件60、61、62和63可以完全相同，也可以不同。

在本实施例中，经空间滤波后的入射光经第一透镜(组)后会聚，若子元件均为消0级光的二元光学元件，具有正负一级衍射光。则其相应衍射光在第二透镜(组)后焦面形成多束出射光，从而在系统成像面形成空间变参量光场分布，如图3(a)所示，干涉图案及其分布区域由对应的子像素和空间滤波提供的入射光决定。

在本实施例中，如图3(b)所示，可仅通过在垂直和沿光轴方向平移子元件60，在不改变图案位置及面积大小的情况下，改变图案空频；可仅通过空间滤波改变入射光区域和平移子元件63，在不改变图案位置及面积大小的情况下，改变图案空频；可仅通过改变子元件61和62的位置，改变图案以及图案空频。

实施例4：基于空间滤波与单一位相元件的微纳米光场实时构建系统

本实施例中所述微纳米光场实时构建调制系统如图4所示，在4F光路系统中，光波调制光学元器件为分立的子位相元件7，可以为二元光学元件、光栅元件、全息元件或超颖表面元件。

在本实施例中，若子位相元件7为消0级光的二元光学元件，具有正负一级衍射光。入射平行光经第一透镜(组)会聚，照射在位相元件上，其正负一级衍射光会聚经第二透镜(组)后在系统成像面干涉。

在系统后方放置空间过滤单元8，如图4(a)所示，在未阻挡区域获得高空频图案，如平移和旋转位相元件7之后，在系统后方放置空间过滤单元9，则在该位阻挡区域获得低空频、变取向的图案。

综上所述，本实用新型系统用激光作为光源，通过空间过滤单元、4F光路系统和光学调制器件，产生图案、图案位置及面积、图案内周期、取向、占空比等结构参数实时、连续可调的干涉图案，集成于各种光刻系统，在正负光刻胶表面实时制备不同结构参数的微纳米图案，为基于微纳米结构的新型功能材料提供基础。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种微纳米光场实时构建调制系统，其特征在于，包括光源、空间过滤单元、4F光学系统和光波调制单元，所述4F光学系统包括沿光路依次设置的第一透镜和第二透镜，所述光波调制单元设置于所述第一透镜和第二透镜之间，该光波调制单元对入射光或子波面分立调制；所述空间过滤单元位于4F光学系统之前或之后，该空间过滤单元对入射光波面、光波调制单元像素选择、像素有效区域、成像面光场空间滤波中至少一个参量调控，在系统的后焦面产生图案构成、图案位置、图案面积以及图案结构参数实时可调的光场分布。

2.根据权利要求1所述的微纳米光场实时构建调制系统，其特征在于：所述图案结构参数包括图案的周期、取向、相位或相移量和占空比。

3.根据权利要求1所述的微纳米光场实时构建调制系统，其特征在于：所述光场分布由单个或多个干涉光场组成。

4.根据权利要求1所述的微纳米光场实时构建调制系统，其特征在于：所述图案构成、图案位置、图案面积、以及图案结构参数实时、分立或同步、连续可调。

5.根据权利要求1至4任一所述的微纳米光场实时构建调制系统，其特征在于：所述空间过滤单元选自光阑、灰度掩膜或可编程空间过滤单元。

6.根据权利要求1所述的微纳米光场实时构建调制系统，其特征在于：所述光源包括激光。