一种用于双光子微细加工的三维超分辨衍射光学器件及其设计方法技术

一种用于双光子微细加工的三维超分辨衍射光学器件，包括外部支架和透明材料构成的圆形主体。主体表面有多个同心圆环区域，各个同心圆环区域厚度不同；各圆环区域的厚度的规律如下：相邻环带的厚度差为二分之一入射光波波长λ，相邻环带区域的厚度差使得双光子聚合加工所用的飞秒激光分别透过后产生大小为π的相位差；相隔一个环带的两个区域的厚度相同，主体部分外围尺寸与双光子加工系统中的显微物镜入口光阑一致。本发明专利技术结构简单、加工成本低，可同时提高原系统的横向和轴向加工分辨率。该器件可针对不同显微镜数值进行具体设计，在双光子干式或浸油式微细加工中均能发挥三维分辨率增强作用，可用于亚微米级的二维图案和三维结构加工。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及双光子微细加工的三维超分辨衍射光学器件及其设计方法。技术背景随着微纳技术应用领域的飞速发展，人们对微细加工的要求不仅向缩小尺寸和提高精度方 向进行，而且越来越向着加工多样化和器件三维化方面发展。针对后两项要求，二十世纪九十 年代中后期正式兴起的飞秒激光双光子微细加工方法成为对传统微纳加工技术的重要补充。飞秒激光双光子微细加工技术涉及现代光学、电子学、激光技术、精密仪器、计算机技术 及智能控制等
，已成为近来微纳加工技术的一个研究热点。现有的飞秒激光双光子微 细加工系统如图l所示，主要结构包括飞秒激光器、光路开关、光束衰减器件、扩束器、全反 射镜、显微物镜、微动台等。飞秒激光双光子微细加工原理是通过计算机控制程序控制微动台的移动，使得飞秒激光束的聚焦点在光刻胶体内按预定路径进行扫描，并在预定位 置打开光闸，使得焦点处产生瞬时超强光场，引发该处光刻胶发生双光子聚合反应，并能在随 后的显影过程中得以保留下来(负胶)或被冲洗掉(正胶)。在完成全部路径的扫描后，对光刻胶进 行显影即可得到所需的微细结构。因此，每次打开光闸所得到的聚合点即为最小成型物，该点 的空间尺寸即直接反应了双光子微细加工系统的加工分辨率。在现有的飞秒激光双光子微细加工系统中，由于受衍射现象的限制，其加工分辨率难以进 一步提高。目前为提高加工分辨率所采取的方法通常有提高显微物镜的数值孔径、采用浸液式 加工方法、减小入射激光功率和缩短单点曝光时间等。前两种方法依赖于显微物镜生产厂商所 提供的器件，而且目前物镜数值孔径已难以继续提高，后两种调节工艺参数的方法实际上只能 无限接近现有系统的理论分辨率，无法在实质上提高双光子加工分辨率。在另一方面，光瞳滤波方法通过在光路中加入特制的衍射光学器件，能够有效地改善成像 分辨特性，提高光学系统分辨率。通常情况下，衍射光学器件的不同区域对入射光具有不同的 透过率和相移量，平面波经过该衍射器件后振幅和相位就会相应地发生变化，最终经过聚焦得 到的焦斑光强分布也将发生相应的变化，对衍射器件进行合理设计便可实现分辨率增强。衍射 光学器件一般分为纯相位型、纯振幅型及相位振幅混合型三类。现有的研究证实纯相位型衍射 器件可获得最大的衍射效率和设计自由度，Ando Hideo则进一步说明对于同心环形纯相位型衍 射器件，仅当入射光经过相邻区域后相位相差^时可以得到最优的分辨率增强效果(Jpn. J. Appl.Phys， 1992,31,557-567)。目前光瞳滤波方法已经广泛应用于光盘读写、共焦显微镜、光刻等方面。例如，中国专利 200510050520.4 —种提高光头存储密度的衍射光学元件提出了一种由同心的两个透光亮环 和一个不透光暗环构成的衍射光学元件，其能将縮小聚焦光斑的径向尺寸，将光头存储密度提 高10-15%。中国专利200410006359.6 具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法中提出 通过光学超分辨衍射器件来提高共焦探测中的横向分辨力。但以上提高的光瞳滤波技术只需考虑提高一个维度的分辨率,.且对焦斑旁瓣的要求也不严 格，因此不适用于双光子三维加工中的分辨率提高。此外，现有光瞳滤波器的设计方法多限于 小数值孔径情形，对于采用浸没式加工方法时需要进行全新的设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的缺点，提出一种可提高双光子微纳加工三维分辨率的超分 辨衍射光学器件及其设计方法。本专利技术超分辨衍射光学器件在不同数值孔径情形下采用不同的 设计结构，放置于显微物镜之前，可同时提高聚焦光斑的径向和轴向分辨率，使焦斑旁瓣强度 和中央强度衰减比符合限定要求。本专利技术提出的衍射光学器件包括外部支架和透明材料构成的圆形主体，如石英、光学玻璃 等，整个主体区域对入射激光的透过率相同。主体表面结构经过微细加工形成多个同心圆环区 域，各个同心圆环区域厚度不同，使入射激光经过不同区域产生不同的相移。该器件主体的俯 视图为一系列同心圆环结构，各圆环区域的厚度的规律如下相邻环带的厚度差为二分之一入 射光波波长A，相隔一个环带的两个区域的厚度相同。这使得经过邻近环带区域调制后的激光 波面存在大小为:i的相位差。主体环带数目一般为五个以上，环带数目越多可能达到的分辨率 增强效果越佳，但随着环带数目的增大，分辨率增强提高程度并不大，故环带数目的选择应结 合加工难度和加工成本来考虑。在实际应用中，该器件主体部分的外围尺寸与双光子加工系统中的显微物镜入口光阑尺寸 一致，放置在显微物镜入瞳之间，通过对入射的平行激光束进行波面整形，改善了激光聚焦点 附近的光强分布，可以实现锐化聚焦焦斑主瓣、缩小主瓣半高半宽比的目的。而根据双光子聚 合的机理，只有光强强度大于聚合阈值的焦斑中心区域才有可能发生聚合反应，且发生双光子 反应的阈值性很强。因此在曝光时间等其他影响因素不变的情况下，光强分布与自由基浓度及 最终固化单元的三维分辨率是一一对应的，即縮小了的主瓣半高半宽比意味着双光子单点聚合 特征尺寸的縮小。本专利技术将衍射光学器件引入飞秒激光双光子微细加工系统中，可以突破原有系统的分辨率 极限，在原有分辨率基础上提高10%左右，而原系统结构几乎不需要改变。该器件表面只有两级台阶高度，大大降低了加工难度和减小了套刻加工带来的误差，同时该设计也满足了分辨率 增强因子的最优化。该器件表面环带数为五个左右，最小环带宽度约为几十微米，加工难度小、 成本低，在更多环带比带来的分辨率增强因子提高不大的情况下，具有很好的性价比。 本专利技术衍射光学器件的具体设计方法。主要步骤包括1、 确定所采用的飞秒激光波长，基底材料折射率，物镜数值孔径、入口光阑尺寸，衍射光 学器件环带数目，最大旁瓣/主瓣强度比，最小主瓣强度衰减比等参数。其中旁瓣/主瓣强度比，中央强度衰减比均是针对焦斑中央的光强分布曲线而言。根据激光 光束特性，焦斑中央的光强分布曲线是类高斯分布的，其主瓣的半高全宽值即表征了激光能量 集中程度以及发生双光子聚合的区域大小。因此，分辨率增强因子可用采取超分辨器件前后所 得到的光强分布曲线的主瓣半高全宽比来表示。确定具体参数时，应考虑到最大旁瓣/主瓣强度比过大可能引起其它非中央区域发生聚合反 应，主瓣强度衰减比过小则可能导致中心光场强度不足以引发双光子聚合反应。另一方面，过 小的最大旁瓣/主瓣强度比和过大的主瓣强度衰减比均会导致最终分辨率增强效果的减弱。因此， 最大旁瓣/主瓣强度比可取0.2左右，而在激光器功率较强的情况下，可暂不约束主瓣强度衰减 比。衍射光学器件环带数目的选取则应充分考虑加工难度和成本， 一般来说，衍射光学器件环 带数目越大，最终优化设计得到的结果越好，但加工难度及成本将大大提高而结果改善幅度将 逐渐变小。2、 根据所确定的环带数目n，衍射器件设计所需要确定的各环带归一化半径为(r以2…rw)， 其中0〈r^…〈rn〈l。如果ri(i-l，2…n-l)每隔0.04取一个值遍历所有可能，(n,r2…iw)共有25!/(26-n)！ 种情形。针对每种情形计算其具体的旁瓣/主瓣强度比及分辨率增强因子，即可选出几组最优结 果并作为后续全局优化算法所需的初始解。针对每种情形的具体计算公式可参看(Mathematical and Physica本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于双光子微细加工的三维超分辨衍射光学器件，包括外部支架和透明材料构成的圆形主体，其特征在于：主体表面有多个同心圆环区域，各个同心圆环区域厚度不同；各圆环区域的厚度的规律如下：相邻环带的厚度差为二分之一入射光波波长λ，相邻环带区域的厚度差使得双光子聚合加工所用的飞秒激光分别透过后产生大小为π的相位差；相隔一个环带的两个区域的厚度相同，主体部分外围尺寸与双光子加工系统中的显微物镜入口光阑一致。

【技术特征摘要】
1、一种用于双光子微细加工的三维超分辨衍射光学器件，包括外部支架和透明材料构成的圆形主体，其特征在于主体表面有多个同心圆环区域，各个同心圆环区域厚度不同；各圆环区域的厚度的规律如下相邻环带的厚度差为...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦晓全，李艳秋，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]