專利名稱：三維達曼陣列產(chǎn)生器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種基于二元光學元件的激光聚焦光場三維達曼陣列產(chǎn)生技術(shù)，特別是一種可以實現(xiàn)沿軸向和橫向擴展的等強度的聚焦光斑的三維達曼陣列產(chǎn)生器。
背景技術(shù)：
自1960年代以來，激光器的發(fā)明給人類的生產(chǎn)生活帶了革命性的變化。正是由于激光的單色性、相干性和高亮度，激光的聚焦場在激光加工、激光手術(shù)、光鑷等場合表現(xiàn)出了無比的優(yōu)越性，發(fā)揮著其不可替代的作用。然而，對于傳統(tǒng)的單路激光聚焦，其聚焦后場只有一個聚焦光斑，激光加工和激光捕獲效率低。微透鏡陣列是一種可以同時獲得多個聚焦光斑的技術(shù)。然而，微透鏡制作困難，同時光路應用不靈活，最重要的是對于微透鏡陣列的像差矯正困難，激光聚焦效率低。于是，人們就提出利用衍射光學方法來實現(xiàn)單路激光聚焦在焦面上的橫向多焦點，這樣就可以實現(xiàn)多路的并行激光加工或激光捕獲。在各種衍射光學器件中，達曼光柵以其高的衍射效率、設計加工簡單、方便批量復制等優(yōu)點得到人們廣泛重視。光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，因為光子晶體在負折射材料超分辨和高效率光子傳導材料等方面的應用前景，受到人們的極大重視，同時也引起廣大科研人員的極大研究熱情。然而，盡管這種具有周期性折射率分布的結(jié)構(gòu)早在1887 年就被提出，時至今日有關(guān)光學波段的三維光子晶體的制作依然是一個極具挑戰(zhàn)性的工作。聚焦激光單點掃描為制作光子晶體提供一個可行的技術(shù)方案，然而，這種方法跟傳統(tǒng)的激光加工一樣，同樣具有效率低下的缺點。同時，在利用激光掃描制作三維光子晶體的過程中，縱向掃描需要極高精度的伺服跟蹤，尤其是對于光學波段的光子晶體。傳統(tǒng)的衍射光學元件像達曼光柵并不能提供一種縱向的并行加工能力，在縱向伺服上的要求跟單點激光掃描一樣，極為苛刻。最近，((Applied Optics》雜志上發(fā)表了一種基于空間光調(diào)制器的三維聚焦光斑陣列產(chǎn)生方案『Applied Optics,50,3653(2011) J0該技術(shù)方案在標量聚焦理論范圍內(nèi)，從理論和實驗上驗證了基于達曼位相調(diào)制技術(shù)可以在聚焦透鏡的幾何焦點附近實現(xiàn)三維的聚焦光斑的空間分布。然而，該技術(shù)是基于一個所謂的采用達曼編碼的三維光柵而產(chǎn)生的，該方案從本質(zhì)上來講是一種計算機全息圖。這種集成的三維光柵實質(zhì)上是一個二維達曼光柵和一個達曼波帶片的疊加。這種疊加造成了位相信息量的大量增加，圖案細節(jié)變得非常雜亂并且最小線寬急劇減小。然而，由于其固有的低的空間分辨率，這種基于空間光調(diào)制器的方案只能用在低數(shù)值孔徑透鏡聚焦場中，因為低數(shù)值孔徑透鏡的通光孔徑一般都在厘米量級。而實際的應用中(如光子晶體制作等)，往往要求聚焦透鏡數(shù)值孔徑要足夠大，這樣才能提供足夠高的能量密度和微米、以至亞微米的聚焦光斑。高數(shù)值孔徑物鏡的通光孔徑一般在幾個毫米，這就使得基于空間光調(diào)制器的三維光柵在孔徑內(nèi)的周期數(shù)和總的像素數(shù)不能達到足夠多。這會導致所產(chǎn)生的三維聚焦光斑均勻性和效率大大降低，甚至三維光斑效果完全被破壞。所以，這種基于空間光調(diào)制器的三維光柵技術(shù)方案只能是一種原理上的驗證，不能用于大多數(shù)實際應用中。另外，即便空間光調(diào)制器能夠提供足夠高的空間分辨率， 該技術(shù)方案所用的三維光柵是在標量聚焦理論范圍內(nèi)設計的，并不能適用于高數(shù)值孔徑聚
焦ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可適用于任何數(shù)值孔徑聚焦下的三維達曼陣列產(chǎn)生器，以產(chǎn)生等強度的MXNXQ的三維焦斑陣列的規(guī)則分布。本發(fā)明的基本思想是在高數(shù)值孔徑物鏡的前加入一個IXQ的達曼波帶片和一個 MXN的達曼光柵，從而在高數(shù)值孔徑物鏡的幾何焦點附近產(chǎn)生等強度MXNXQ的三維焦斑陣列的規(guī)則分布。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種三維達曼陣列產(chǎn)生器，特點在于其構(gòu)成是沿入射的均勻強度激光平面波方向依次包括二維達曼光柵、由第一透鏡和第二透鏡組成的共焦透鏡組、入射光瞳、達曼波帶片和消像差聚焦物鏡，所述的二維達曼光柵是MXN的達曼光柵，所述的達曼波帶片是1 X Q 達曼波帶片，所述的達曼波帶片和所述的消像差聚焦物鏡的中心對準。所述的達曼波帶片是一系列的位相為0，π相間的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，所述的達曼波帶片的歸一化半徑與所述的消像差聚焦物鏡的數(shù)值孔徑直接相關(guān)，對于不同的數(shù)值孔徑， 所述的達曼波帶片的歸一化半徑需要重新設計，具體設計流程如下①根據(jù)具體應用要求，確定所述的達曼波帶片的軸向焦斑數(shù)目Q ；②由達曼光柵位相轉(zhuǎn)折點Ns的經(jīng)驗公式，即當Q為奇數(shù)時，Ns = Ntl ；當Q為偶數(shù)時，Ns = 2Ν0+2，其中N0 = 2int {(Q-I) /4} +2，而int為取整函數(shù)，確定達曼波帶片相對t = cos θ的每個周期內(nèi)需要加入的位相轉(zhuǎn)折點數(shù)目Ns，其中θ為所述的聚焦物鏡聚焦后場對應的孔徑角；③根據(jù)公式Δζ = ^，確定達曼波帶片相對于t = cos θ的周期數(shù)目Np，其
l-cosa
中Δζ為軸向焦斑間隔，α = arcsin(NA)為消像差聚焦物鏡數(shù)值孔徑NA對應的最大孔徑角，λ為工作波長；④選定IXQ達曼波帶片歸一化位相轉(zhuǎn)折點作為達曼波帶片相對t = cos θ的每個周期內(nèi)的位相轉(zhuǎn)折點的初值；⑤拓展到Np個周期，由關(guān)系式ξ = t-(l+C0Sa)/2解算出所有的位相轉(zhuǎn)折點相對于ξ的值；⑥由關(guān)系式 = C0W =sina)2，求出所有位相轉(zhuǎn)折點相對于徑向坐標的值 {8山即所有歸一化半徑值，其中11 = 0，1，2，··· (NsNp)；⑦根據(jù)矢量衍射理論計算出軸向強度分布，找出所設計的焦斑對應的歸一化強度峰值I,；⑧計算出所設計的焦斑強度峰峰值對應的效率和均勻性；⑨對所述的效率和均勻性進行判斷，當效率達到最大，且均勻性最小，進入步驟 ⑩；否則，返回步驟④；⑩輸出所有歸一化半徑Is1J的值。
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所述的消像差聚焦物鏡的數(shù)值孔徑NA = 0.9，線偏振均勻強度分布入射場、 6X6X5的三維達曼陣列產(chǎn)生器所對應的所述的二維達曼光柵是1X5達曼波帶片，其歸一化半徑從r0到r20共21個的具體數(shù)值依次為0,0. 3085,0. 405,0. 503,0. 5127,0. 5891， 0. 6385,0. 6969,0. 7031,0. 7534,0. 7874,0. 8288，08332，08698，08949，09256，09289， 09562，09748，09976，1。本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明中所述技術(shù)方案可以在高數(shù)值孔徑物鏡的聚焦后場產(chǎn)生規(guī)則(類似晶格結(jié)構(gòu)排布)的三維聚焦光斑陣列，我們稱之為聚焦光斑的三維達曼陣列產(chǎn)生器。首先，本發(fā)明是基于矢量聚焦理論設計的，所以它能夠適用于任何數(shù)值孔徑聚焦條件。另外，本發(fā)明提出了一種分離技術(shù)方案，其核心是采用一個達曼波帶片『先前技術(shù)發(fā)明專利“達曼波帶片”CN 10206^87A』和一個傳統(tǒng)的二維達曼光柵。這種技術(shù)方案大大降低了對器件制作的空間分辨率的要求，并且本發(fā)明中所有的器件都是純位相的二元器件，可以采用成熟的光刻工藝方便的實現(xiàn)。與空間光調(diào)制器相比，這種純位相器件可以提供足夠高的空間分辨率。 同時，這種分離的結(jié)構(gòu)還使得在一定程度上可以便于實現(xiàn)這種三維達曼陣列的結(jié)構(gòu)、排布和數(shù)目調(diào)節(jié)。所以，相比于先前技術(shù)，本發(fā)明應用起來更加靈活、有效，尤其是對于高數(shù)值孔徑物鏡聚焦的情況下更是如此。這種三維達曼陣列具有等強度、在空間上排布規(guī)則、微米甚至亞微米聚焦光斑的特點，為光子晶體的制作加工提供一種比較理想的技術(shù)方案。同時，這種等強度規(guī)則分布的三維聚焦光斑陣列可以廣泛應用于激光加工(包括激光切割和激光微納加工，三維光子晶體的制作)、并行三維激光捕獲以及三維檢測等領域。


圖1是本發(fā)明激光三維達曼陣列產(chǎn)生器的光路示意圖。圖2是高數(shù)值孔徑下的達曼波帶片的設計流程圖。圖3是6X6X5的三維達曼陣列示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍，一、理論設計1、高數(shù)值孔徑物鏡三維聚焦光場的物理模型對如圖1所示高數(shù)值孔徑物鏡聚焦光場，建立柱坐標系。其中，光軸的方向沿ζ軸方向，而柱坐標的橫向極軸在圖1所示的平面內(nèi)，坐標原點在所述的消像差聚焦物鏡500的幾何焦點處501。在德拜近似下，消像差聚焦物鏡500在焦點附近的三維聚焦場可以表示為
權(quán)利要求
1.一種三維達曼陣列產(chǎn)生器，特征在于其構(gòu)成是沿入射的均勻強度激光平面波(001) 方向依次包括二維達曼光柵(100)、由第一透鏡(300)和第二透鏡(400)組成的共焦透鏡組、入射光瞳(600)、達曼波帶片(200)和消像差聚焦物鏡(500)，所述的二維達曼光柵 (100)是MXN的達曼光柵，所述的達曼波帶片(200)是IXQ達曼波帶片，所述的達曼波帶片(200)和所述的消像差聚焦物鏡(500)的中心對準。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維達曼陣列產(chǎn)生器，其特征在于所述的達曼波帶片(200) 是一系列的位相為0，相間的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，所述的達曼波帶片O00)的歸一化半徑與所述的消像差聚焦物鏡(500)的數(shù)值孔徑直接相關(guān)，對于不同的數(shù)值孔徑，所述的達曼波帶片 (200)的歸一化半徑需要重新設計，具體設計流程如下①根據(jù)具體應用要求，確定所述的達曼波帶片(200)的軸向焦斑數(shù)目Q；②由達曼光柵位相轉(zhuǎn)折點Ns的經(jīng)驗公式，即當Q為奇數(shù)時，Ns= Ntl ；當Q為偶數(shù)時，Ns =2NQ+2，其中N0 = 2int {(Q-I) /4} +2，而int為取整函數(shù)，確定達曼波帶片相對t = cos θ 的每個周期內(nèi)需要加入的位相轉(zhuǎn)折點數(shù)目Ns，其中θ為所述的聚焦物鏡(500)聚焦后場對應的孔徑角；③根據(jù)公式Δζ= ^，確定達曼波帶片(200)相對于t = cos θ的周期數(shù)目Νρ，l-cosa其中Δ ζ為軸向焦斑間隔，α = arcsin(NA)為消像差聚焦物鏡(500)數(shù)值孔徑NA對應的最大孔徑角，λ為工作波長；④選定IXQ達曼波帶片歸一化位相轉(zhuǎn)折點作為達曼波帶片相對t= cos θ的每個周期內(nèi)的位相轉(zhuǎn)折點的初值；⑤拓展到Np個周期，由關(guān)系式ξ= t-(l+C0Sa)/2解算出所有的位相轉(zhuǎn)折點相對于 I的值；⑥由關(guān)系式i= CoW =sina)2，求出所有位相轉(zhuǎn)折點相對于徑向坐標的值IsJ， 即所有歸一化半徑值，其中n = 0，l，2，- (NsNp)；⑦根據(jù)矢量衍射理論計算出軸向強度分布，找出所設計的焦斑對應的歸一化強度峰值I “⑧計算出所設計的焦斑強度峰峰值對應的效率和均勻性；⑨對所述的效率和均勻性進行判斷，當效率達到最大，且均勻性最小，進入步驟⑩；否則，返回步驟④；⑩輸出所有歸一化半徑{sn}的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維達曼陣列產(chǎn)生器，其特征在于所述的消像差聚焦物鏡(500)的數(shù)值孔徑NA = 0. 9，線偏振均勻強度分布入射場、6X6X5的三維達曼陣列產(chǎn)生器所對應的所述的二維達曼光柵(100)是1X5、5周期的達曼波帶片，其歸一化半徑從Γ(ι 到巧。共 21 個的具體數(shù)值依次為 0,0. 3085,0. 405,0. 503,0. 5127,0. 5891,0. 6385,0. 6969， 0. 7031,0. 7534,0. 7874,0. 8288,0. 8332,0. 8698,0. 8949,0. 9256,0. 9289,0. 9562,0. 9748， 0.9976，1。
全文摘要
一種三維達曼陣列產(chǎn)生器，特點是其構(gòu)成包括沿入射的均勻強度激光平面波前進方向依次的二維達曼光柵、由第一透鏡和第二透鏡組成的共焦透鏡組、入射光瞳、達曼波帶片和消像差聚焦物鏡，所述的二維達曼光柵是M×N的達曼光柵，所述的達曼波帶片是1×Q達曼波帶片，在所述的聚焦物鏡的焦斑的一定范圍內(nèi)產(chǎn)生沿軸向和橫向擴展的M×N×Q的三維激光聚焦焦斑陣列。這種三維的激光聚焦光斑沿軸向和橫向間隔均勻，在空間上呈規(guī)則的“晶格”排布，并且各聚焦光斑強度相等。本發(fā)明產(chǎn)生的激光聚焦焦斑三維達曼陣列可以廣泛應用于三維激光微納加工包括三維光子晶體的制作、激光并行粒子及細胞捕獲以及三維檢測等方面。
文檔編號G02B27/44GK102385169SQ20111038831
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者余俊杰, 周常河, 曹紅超, 王少卿, 賈偉, 麻健勇 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所