CN209167573U - 用于制作超透镜的干涉光刻系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于制作超透镜的干涉光刻系统，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，该光波调制单元通过对子波面调制，在系统的后焦面上形成干涉图案；所述空间过滤单元设置于4F光学系统之后，用于限制干涉图案的成像区域，形成圆形或环形图案。本系统具有无视差、误差或渐晕(边缘处的亮度降低)和纳米结构图案化的灵活性的特点，且效率高、成本低、幅面大，制备超透镜图案的简单易行。
Description
技术领域
本实用新型涉及微纳光学领域，特别是涉及一种用于制作超透镜的干涉光刻系统。
背景技术
传统的光学透镜一般存在衍射极限，没有办法观察到波长二分之一以下的细节，而且需要用到非常复杂的光学系统，仪器整体体积很大，重量很重。2000年，Pendry首先提出了近场超透镜的概念，使得传统的阿贝成像的衍射极限问题得到了解决，此后，超透镜获得了人们广泛的研究。超透镜可以在像人头发一样薄的衬底上图案化非常薄的平坦纳米结构层，能够实现与更厚和更重的传统透镜系统相同的功能。超透镜通过收集近场光线来成像，能突破衍射极限，理论上分辨率可以达到无限小，而且超透镜是很轻、很薄的平面结构，携带方便，在实时生物显示、高密度光存贮和微电子光刻等方面有着重要的应用潜力。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的邓永波等人通过涂胶、电子束光刻、显影的步骤制作出一种同心环形拓扑超透镜，超透镜体积小、成本低、设计方便，结构简易、可制造性高，易于集成和阵列化，促进新一代光学显微技术与光学成像技术的实现与普遍应用。中国科学院光电技术研究所的罗先刚等人通过常规的光刻、离子束刻蚀或湿法腐蚀、阴影蒸镀，制备得到用于实现超分辨成像的尖劈型超透镜，把将要观测的细微物体置于倾斜切面超透镜的物面，图像信息可以通过多层膜投影到该超透镜的斜切面即相面形成放大的像，从而实现一维放大和超衍射观测。
光刻的工艺有很多种，常见的有电子束光刻、离子束光刻、激光直写、掩模曝光、干涉曝光等。现今的超透镜制备方法中多采用电子束光刻的方法，该方法虽然刻写精度高，但存在诸多缺点，如设备成本高，刻写效率低，一般用于小幅面的图案制作；离子束与激光直写的方法光刻分辨率高，但其曝光的深度有限；掩模曝光的方法需要根据所需图案的参数制作相应的掩模板，这增加了工艺的繁琐性。而干涉曝光的方法不需要昂贵的聚焦镜头，也不需要制作掩模板，它的曝光效率高、高分辨率、无限焦深，适用于大幅面图案制作。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种用于制作超透镜的干涉光刻系统，该系统具有无视差、误差或渐晕(边缘处的亮度降低)和纳米结构图案化的灵活性的特点，且效率高、成本低、幅面大，制备超透镜图案简单易行。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种用于制作超透镜的干涉光刻系统，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，该光波调制单元通过对子波面调制，在系统的后焦面上形成干涉图案；所述空间过滤单元设置于4F光学系统的像面上，用于限制干涉图案的成像区域，形成圆形或环形图案。
在该技术方案中，第一透镜和第二透镜可以为单独一个透镜，也可以为多个透镜构成的组合。
优选的，在上述用于制作超透镜的干涉光刻系统中，所述的光波调制单元包括消0级光掩膜和位相光栅，位相光栅设置于第一透镜和消0级光掩膜之间，所述消0级光掩膜能供正负一级衍射光穿透。
优选的，在上述用于制作超透镜的干涉光刻系统中，所述位相光栅通过位移变化、和/或旋转实现对子波面光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，形成干涉图案。
优选的，在上述用于制作超透镜的干涉光刻系统中，
其中，F为干涉图案的空频，d为位相光栅与消0级光掩膜距离，F0为位相光栅空频，f2为第二透镜的焦距。
优选的，在上述用于制作超透镜的干涉光刻系统中，所述光源包括激光，进一步地，光源由激光器或其他相干光源提供，其产生的入射光为平行光。
优选的，在上述用于制作超透镜的干涉光刻系统中，所述第一透镜和第二透镜为傅里叶变换透镜。
优选的，在上述用于制作超透镜的干涉光刻系统中，所述空间过滤单元为光阑、灰度掩模或可编程空间过滤单元。
优选的，所述空间过滤单元为光阑，光阑上的透光区域为圆形或环形。所述空间过滤单元设置于系统的像面上，用于限制干涉光场条纹的成像区域，形成圆形或环形的干涉图案。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
(1)、通过其中位相光栅的移动和旋转，在像面上形成空频、取向连续变化的光栅结构，可以制备灵活性的图案。
(2)、在像面上设置空间过滤单元后，利用透光部分的干涉，可以更加高效的制作所需面形的光栅，且目标光栅的幅面大小可由空间过滤单元透光区的幅面大小控制，制备超透镜简单易行。
(3)、针对目前利用电子束光刻等手段制备聚焦超表面结构存在的效率低、造价高，幅面小的缺点，本实用新型提出的用于制作超透镜的干涉光刻系统具有效率高、成本低、幅面大的优点。
(4)、具有无视差误差或渐晕(边缘处的亮度降低)和纳米结构图案化的灵活性的特点。
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中放置于系统后焦面的圆形光阑示意图；
图2所示为本实用新型具体实施例中用于形成圆形图像的干涉光刻系统的示意图；
图3所示为本实用新型具体实施例1中在系统的后焦面上形成的圆形目标结构示意图；
图4所示为本实用新型具体实施例2中能形成的“圆+一环”目标结构中的环形光阑示意图；
图5所示为本实用新型具体实施例中用于形成环形图像的干涉光刻系统的示意图；
图6所示为本实用新型具体实施例2中在系统的后焦面上形成的“圆+一环”目标结构示意图；
图7所示为本实用新型具体实施例3中能形成的“圆+两环”目标结构中最外圈环的环形光阑示意图；
图8所示为本实用新型具体实施例3中在系统的后焦面上形成的“圆+两环”目标结构示意图；
图9所示为本实用新型具体实施例中在系统的后焦面上形成的“圆+多环”目标结构示意图。
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的一部分实施例，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。
实施例一：在系统后焦面上形成圆形目标结构的干涉光刻系统
本实施例中所示的用于制备圆形目标结构光栅的干涉光刻系统如图2所示，在4F光学系统(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透镜(组)1，第二透镜(组)2和光波调制单元，所述光波调制单元包括消0级光掩膜32和位相光栅31，位相光栅31设置于第一透镜(组)1和消0级光掩膜32之间，位相光栅31可以通过位移变化、和/或旋转来实现对各子波面的光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，其中虚线表示4F光路系统的光轴4。
该技术方案中，位相光栅的位移变化主要是通过沿光轴方向移动，也就是改变位相光栅与傅里叶面距离d的大小。
设圆形目标结构光栅的空频为F，位相光栅31与消0级掩膜32的距离为d，位相光栅31空频为F0，两透镜的焦距分别为f1、f2，则它们之间的关系是：
在本实施例中，所示用于制作超透镜的干涉光刻系统还包括如图1所示的圆形光阑5，其中点阵区表示光阑的不透光区域，空白区表示透光区域；圆形光阑的透光区域包含在像面的干涉区域内，光阑上圆形透光区域的圆心精确对准在光轴4上；光阑5放置在4F光学系统的第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)之后、系统的后焦面上。激光器发射的一束单色平行光，入射到第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)上，经第一透镜(组)1后变成会聚的单色光，经过位相光栅31后产生0级和±1级的衍射光。位相光栅31产生的的±1级衍射光会聚在第一透镜(组)1的后焦面上，且对称地位于光轴两侧，这两个会聚光点可以近似看成两个相干的点光源。这两个点光源发出的球面波经第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，干涉光场在圆形光阑5的作用下产生如图3所示的圆形光栅结构。
其中，圆形光栅结构的空频由位相光栅的位置决定，圆形光栅结构条纹的取向与位相光栅条纹取向相同。
在得到带有圆形图案的光刻胶基板后，经过镀膜，然后利用lift off工艺将光刻胶剥离，就能获得基于各项异性或金属材料的超透镜。
或者先在玻璃基板上镀膜，涂光刻胶，经过上述干涉光刻后得到带有圆形图案的光刻胶基板，再利用刻蚀工艺，将图案转移到下方的镀膜层，最后去掉残余光刻胶，获得基于各项异性或金属材料的超透镜。
实施例二：在系统后焦面上形成“圆+一环”目标结构的干涉光刻系统
为了得到如图6所示的“圆+一环”的目标结构光栅，将目标结构分解为圆形光栅和环形光栅来制备。
本实施例中所示的用于制备圆形目标结构光栅的干涉光刻系统如图2所示，在4F光学系统(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透镜(组)1，第二透镜(组)2和光波调制单元，所述光波调制单元包括消0级光掩膜32和位相光栅31，位相光栅31设置于第一透镜(组)1和消0级光掩膜32之间，位相光栅31可以通过位移变化、和/或旋转来实现对各子波面的光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，其中虚线表示4F光路系统的光轴4。
在本实施例中，所示用于制作超透镜的干涉光刻系统还包括如图1所示的圆形光阑5，其中点阵区表示光阑的不透光区域，空白区表示透光区域；所述圆形光阑的透光区域包含在像面的干涉区域内，光阑上圆形透光区域的圆心精确对准在光轴4上；光阑5放置在4F光学系统的第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)之后、系统的后焦面上。激光器发射的一束单色平行光，入射到第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)上，经第一透镜(组)1后变成会聚的单色光，经过位相光栅31后产生0级和±1级的衍射光。位相光栅31产生的的±1级衍射光会聚在第一透镜(组)1的后焦面上，且对称地位于光轴两侧，这两个会聚光点可以近似看成两个相干的点光源。这两个点光源发出的球面波经第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，干涉光场在圆形光阑5的作用下产生圆形光栅结构。
其中，圆形光栅结构的空频由位相光栅的位置决定，圆形光栅结构条纹的取向与位相光栅条纹取向相同。
该技术方案中，位相光栅的位移变化主要是通过沿光轴方向移动，也就是改变位相光栅与傅里叶面距离d的大小。
本实施例中所示的用于制备环形目标结构光栅的用于制作超透镜的干涉光刻系统如图5所示，在4F光学系统(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透镜(组)1，第二透镜(组)2和光波调制单元，所述光波调制单元包括消0级光掩膜32和位相光栅31，位相光栅31设置于第一透镜(组)1和消0级光掩膜32之间，位相光栅31可以通过位移变化、和/或旋转来实现对各子波面的光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，其中虚线表示4F光路系统的光轴4。
在本实施例中，所示用于制作超透镜的干涉光刻系统还包括如图4所示的环形光阑5，其中点阵区表示光阑的不透光区域，空白区表示透光区域；所述环形光阑的透光区域包含在像面的干涉区域内，光阑上环形透光区域的环心精确对准在光轴4上；光阑5放置在4F光学系统的第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)之后、系统的后焦面上。激光器发射的一束单色平行光，入射到第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)上，经第一透镜(组)1后变成会聚的单色光，经过位相光栅31后产生0级和±1级的衍射光。位相光栅31产生的的±1级衍射光会聚在第一透镜(组)1的后焦面上，且对称地位于光轴两侧，这两个会聚光点可以近似看成两个相干的点光源。这两个点光源发出的球面波经第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，干涉光场在环形光阑5的作用下产生环形光栅结构。
同理，环形光栅结构的空频由位相光栅的位置决定，环形光栅结构条纹的取向与位相光栅条纹取向相同。
经过上述两次曝光后，可以在像面上得到如图6所示的“圆+一环”的光栅结构。
需要说明的是，操作步骤不一定是先“圆”后“环”，也可以是先“环”后“圆”。
在得到带有“圆+一环”图案的光刻胶基板后，经过镀膜，然后利用lift off工艺将光刻胶剥离，就能获得基于各项异性或金属材料的超透镜。
或者先在玻璃基板上镀膜，涂光刻胶，经过上述干涉光刻后得到带有“圆+一环”图案的光刻胶基板，再利用刻蚀工艺，将图案转移到下方的镀膜层，最后去掉残余光刻胶，获得基于各项异性或金属材料的超透镜。
实施例三：在后焦面上形成“圆+两环”目标结构的干涉光刻系统
同样的，为了得到如图8所示的“圆+两环”的目标结构光栅，将目标结构分解为圆形光栅和两个环形光栅来制备。
本实施例中所示的用于制备圆形目标结构光栅的干涉光刻系统如图2所示，在4F光学系统(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透镜(组)1，第二透镜(组)2和光波调制单元，所述光波调制单元包括消0级光掩膜32和位相光栅31，位相光栅31设置于第一透镜(组)1和消0级光掩膜32之间，位相光栅31可以通过位移变化、和/或旋转来实现对各子波面的光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，其中虚线表示4F光路系统的光轴4。
在本实施例中，所示用于制作超透镜的干涉光刻系统还包括如图1所示的圆形光阑5，其中点阵区表示光阑的不透光区域，空白区表示透光区域；所述圆形光阑的透光区域包含在像面的干涉区域内，光阑上圆形透光区域的圆心精确对准在光轴4上；光阑5放置在4F光学系统的第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)之后、系统的后焦面上。激光器发射的一束单色平行光，入射到第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)上，经第一透镜(组)1后变成会聚的单色光，经过位相光栅31后产生0级和±1级的衍射光。位相光栅31产生的的±1级衍射光会聚在第一透镜(组)1的后焦面上，且对称地位于光轴两侧，这两个会聚光点可以近似看成两个相干的点光源。这两个点光源发出的球面波经第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，干涉光场在圆形光阑5的作用下产生圆形光栅结构。
其中，圆形光栅结构的空频由位相光栅的位置决定，圆形光栅结构条纹的取向与位相光栅条纹取向相同。
本实施例中所示的用于制备环形目标结构光栅的干涉光刻系统如图5所示，在4F光学系统(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透镜(组)1，第二透镜(组)2和光波调制单元，所述光波调制单元包括消0级光掩膜32和位相光栅31，位相光栅31设置于第一透镜(组)1和消0级光掩膜32之间，位相光栅31可以通过位移变化、和/或旋转来实现对各子波面的光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，其中虚线表示4F光路系统的光轴4。
在本实施例中，所示用于制作超透镜的干涉光刻系统还包括如图4所示的环形光阑5，其中点阵区表示光阑的不透光区域，空白区表示透光区域；所述环形光阑的透光区域包含在像面的干涉区域内，光阑上环形透光区域的环心精确对准在光轴4上；光阑5放置在4F光学系统的第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)之后、系统的后焦面上。激光器发射的一束单色平行光，入射到第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)上，经第一透镜(组)1后变成会聚的单色光，经过位相光栅31后产生0级和±1级的衍射光。位相光栅31产生的的±1级衍射光会聚在第一透镜(组)1的后焦面上，且对称地位于光轴两侧，这两个会聚光点可以近似看成两个相干的点光源。这两个点光源发出的球面波经第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，干涉光场在环形光阑5的作用下产生环形光栅结构。
在本实施例中，将上述环形光阑5换成如图7所示的环形光阑，同样的，所述环形光阑的透光区域包含在像面的干涉区域内，光阑上环形透光区域的环心精确对准在光轴4上；光阑5放置在4F光学系统的第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)之后、系统的后焦面上。激光器发射的一束单色平行光，入射到第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)上，经第一透镜(组)1后变成会聚的单色光，经过位相光栅31后产生0级和±1级的衍射光。位相光栅31产生的的±1级衍射光会聚在第一透镜(组)1的后焦面上，且对称地位于光轴两侧，这两个会聚光点可以近似看成两个相干的点光源。这两个点光源发出的球面波经第二透镜(组)2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，干涉光场在环形光阑5的作用下产生环形光栅结构。
同理，环形光栅结构的空频由位相光栅的位置决定，环形光栅结构条纹的取向与位相光栅条纹取向相同。
其中，上述三个光阑透光区域的大小关系为：图4环形光阑的内径等于图1圆形光阑的半径，图7环形光阑的内径等于图4环形光阑的外径。
经过上述三次曝光后，可以在像面上得到如图8所示的“圆+两环”的光栅结构。
同样需要说明的是，操作步骤不一定是先“圆”后“环”，也可以是先“环”后“圆”。
以此类推，即可以利用本实用新型的用于制作超透镜的干涉光刻系统制备如图9所示的“圆+多环”的变空频、变取向的目标结构。
在得到带有“圆+多环”图案的光刻胶基板后，经过镀膜，然后利用lift off工艺将光刻胶剥离，就能获得基于各项异性或金属材料的超透镜。
或者先在玻璃基板上镀膜，涂光刻胶，经过上述干涉光刻后得到带有“圆+多环”图案的光刻胶基板，再利用刻蚀工艺，将图案转移到下方的镀膜层，最后去掉残余光刻胶，获得基于各项异性或金属材料的超透镜。
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 (8)
1.一种用于制作超透镜的干涉光刻系统，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，该光波调制单元通过对子波面调制，在系统的后焦面上形成干涉图案；
所述空间过滤单元设置于4F光学系统的像面上，用于限制干涉图案的成像区域，形成圆形或环形图案。
2.根据权利要求1所述的用于制作超透镜的干涉光刻系统，其特征在于，光波调制单元包括消0级光掩膜和位相光栅，位相光栅设置于第一透镜和消0级光掩膜之间。
3.根据权利要求2所述的用于制作超透镜的干涉光刻系统，其特征在于，所述位相光栅通过位移变化、和/或旋转实现对子波面光场调制。
4.根据权利要求2所述的用于制作超透镜的干涉光刻系统，其特征在于，
其中，F为干涉图案的空频，d为位相光栅与消0级光掩膜距离，F0为位相光栅空频，f2为第二透镜的焦距。
5.根据权利要求1所述的用于制作超透镜的干涉光刻系统，其特征在于，所述光源包括激光。
6.根据权利要求1所述的用于制作超透镜的干涉光刻系统，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜为傅里叶变换透镜。
7.根据权利要求1所述的用于制作超透镜的干涉光刻系统，其特征在于，所述空间过滤单元为光阑、灰度掩模或可编程空间过滤单元。
8.根据权利要求1所述的用于制作超透镜的干涉光刻系统，其特征在于，所述空间过滤单元为光阑，光阑上的透光区域为圆形或环形。
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|---|---|---|---|---|
| CN114624818A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-06-14 | 天津山河光电科技有限公司 | 光纤光栅装置以及传感设备 |
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2018
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Cited By (2)
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| CN114624818B (zh) * | 2022-03-18 | 2024-03-29 | 苏州山河光电科技有限公司 | 光纤光栅装置以及传感设备 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |