專利名稱：一種用于雙光子微細加工的三維超分辨衍射光學器件及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙光子微細加工的三維超分辨衍射光學器件及其設(shè)計方法。
技術(shù)背景隨著微納技術(shù)應用領(lǐng)域的飛速發(fā)展，人們對微細加工的要求不僅向縮小尺寸和提高精度方 向進行，而且越來越向著加工多樣化和器件三維化方面發(fā)展。針對后兩項要求，二十世紀九十 年代中后期正式興起的飛秒激光雙光子微細加工方法成為對傳統(tǒng)微納加工技術(shù)的重要補充。飛秒激光雙光子微細加工技術(shù)涉及現(xiàn)代光學、電子學、激光技術(shù)、精密儀器、計算機技術(shù) 及智能控制等技術(shù)領(lǐng)域，已成為近來微納加工技術(shù)的一個研究熱點?，F(xiàn)有的飛秒激光雙光子微 細加工系統(tǒng)如圖l所示，主要結(jié)構(gòu)包括飛秒激光器、光路開關(guān)、光束衰減器件、擴束器、全反 射鏡、顯微物鏡、微動臺等。飛秒激光雙光子微細加工原理是通過計算機控制程序控制微動臺的移動，使得飛秒激光束的聚焦點在光刻膠體內(nèi)按預定路徑進行掃描，并在預定位 置打開光閘，使得焦點處產(chǎn)生瞬時超強光場，引發(fā)該處光刻膠發(fā)生雙光子聚合反應，并能在隨 后的顯影過程中得以保留下來(負膠)或被沖洗掉(正膠)。在完成全部路徑的掃描后，對光刻膠進 行顯影即可得到所需的微細結(jié)構(gòu)。因此，每次打開光閘所得到的聚合點即為最小成型物，該點 的空間尺寸即直接反應了雙光子微細加工系統(tǒng)的加工分辨率。在現(xiàn)有的飛秒激光雙光子微細加工系統(tǒng)中，由于受衍射現(xiàn)象的限制，其加工分辨率難以進 一步提高。目前為提高加工分辨率所采取的方法通常有提高顯微物鏡的數(shù)值孔徑、采用浸液式 加工方法、減小入射激光功率和縮短單點曝光時間等。前兩種方法依賴于顯微物鏡生產(chǎn)廠商所 提供的器件，而且目前物鏡數(shù)值孔徑已難以繼續(xù)提高，后兩種調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的方法實際上只能 無限接近現(xiàn)有系統(tǒng)的理論分辨率，無法在實質(zhì)上提高雙光子加工分辨率。在另一方面，光瞳濾波方法通過在光路中加入特制的衍射光學器件，能夠有效地改善成像 分辨特性，提高光學系統(tǒng)分辨率。通常情況下，衍射光學器件的不同區(qū)域?qū)θ肷涔饩哂胁煌?透過率和相移量，平面波經(jīng)過該衍射器件后振幅和相位就會相應地發(fā)生變化，最終經(jīng)過聚焦得 到的焦斑光強分布也將發(fā)生相應的變化，對衍射器件進行合理設(shè)計便可實現(xiàn)分辨率增強。衍射 光學器件一般分為純相位型、純振幅型及相位振幅混合型三類?，F(xiàn)有的研究證實純相位型衍射 器件可獲得最大的衍射效率和設(shè)計自由度，Ando Hideo則進一步說明對于同心環(huán)形純相位型衍 射器件，僅當入射光經(jīng)過相鄰區(qū)域后相位相差^時可以得到最優(yōu)的分辨率增強效果(Jpn. J. Appl.Phys， 1992,31,557-567)。目前光瞳濾波方法已經(jīng)廣泛應用于光盤讀寫、共焦顯微鏡、光刻等方面。例如，中國專利 200510050520.4 "—種提高光頭存儲密度的衍射光學元件"提出了一種由同心的兩個透光亮環(huán) 和一個不透光暗環(huán)構(gòu)成的衍射光學元件，其能將縮小聚焦光斑的徑向尺寸，將光頭存儲密度提 高10-15%。中國專利200410006359.6 "具有高空間分辨力的差動共焦掃描檢測方法"中提出 通過光學超分辨衍射器件來提高共焦探測中的橫向分辨力。但以上提高的光瞳濾波技術(shù)只需考慮提高一個維度的分辨率,.且對焦斑旁瓣的要求也不嚴 格，因此不適用于雙光子三維加工中的分辨率提高。此外，現(xiàn)有光瞳濾波器的設(shè)計方法多限于 小數(shù)值孔徑情形，對于采用浸沒式加工方法時需要進行全新的設(shè)計。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種可提高雙光子微納加工三維分辨率的超分 辨衍射光學器件及其設(shè)計方法。本發(fā)明超分辨衍射光學器件在不同數(shù)值孔徑情形下采用不同的 設(shè)計結(jié)構(gòu)，放置于顯微物鏡之前，可同時提高聚焦光斑的徑向和軸向分辨率，使焦斑旁瓣強度 和中央強度衰減比符合限定要求。本發(fā)明提出的衍射光學器件包括外部支架和透明材料構(gòu)成的圓形主體，如石英、光學玻璃 等，整個主體區(qū)域?qū)θ肷浼す獾耐高^率相同。主體表面結(jié)構(gòu)經(jīng)過微細加工形成多個同心圓環(huán)區(qū) 域，各個同心圓環(huán)區(qū)域厚度不同，使入射激光經(jīng)過不同區(qū)域產(chǎn)生不同的相移。該器件主體的俯 視圖為一系列同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，各圓環(huán)區(qū)域的厚度的規(guī)律如下相鄰環(huán)帶的厚度差為二分之一入 射光波波長A，相隔一個環(huán)帶的兩個區(qū)域的厚度相同。這使得經(jīng)過鄰近環(huán)帶區(qū)域調(diào)制后的激光 波面存在大小為:i的相位差。主體環(huán)帶數(shù)目一般為五個以上，環(huán)帶數(shù)目越多可能達到的分辨率 增強效果越佳，但隨著環(huán)帶數(shù)目的增大，分辨率增強提高程度并不大，故環(huán)帶數(shù)目的選擇應結(jié) 合加工難度和加工成本來考慮。在實際應用中，該器件主體部分的外圍尺寸與雙光子加工系統(tǒng)中的顯微物鏡入口光闌尺寸 一致，放置在顯微物鏡入瞳之間，通過對入射的平行激光束進行波面整形，改善了激光聚焦點 附近的光強分布，可以實現(xiàn)銳化聚焦焦斑主瓣、縮小主瓣半高半寬比的目的。而根據(jù)雙光子聚 合的機理，只有光強強度大于聚合閾值的焦斑中心區(qū)域才有可能發(fā)生聚合反應，且發(fā)生雙光子 反應的閾值性很強。因此在曝光時間等其他影響因素不變的情況下，光強分布與自由基濃度及 最終固化單元的三維分辨率是一一對應的，即縮小了的主瓣半高半寬比意味著雙光子單點聚合 特征尺寸的縮小。本發(fā)明將衍射光學器件引入飛秒激光雙光子微細加工系統(tǒng)中，可以突破原有系統(tǒng)的分辨率 極限，在原有分辨率基礎(chǔ)上提高10%左右，而原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾乎不需要改變。該器件表面只有兩級臺階高度，大大降低了加工難度和減小了套刻加工帶來的誤差，同時該設(shè)計也滿足了分辨率 增強因子的最優(yōu)化。該器件表面環(huán)帶數(shù)為五個左右，最小環(huán)帶寬度約為幾十微米，加工難度小、 成本低，在更多環(huán)帶比帶來的分辨率增強因子提高不大的情況下，具有很好的性價比。 本發(fā)明衍射光學器件的具體設(shè)計方法。主要步驟包括1、 確定所采用的飛秒激光波長，基底材料折射率，物鏡數(shù)值孔徑、入口光闌尺寸，衍射光 學器件環(huán)帶數(shù)目，最大旁瓣/主瓣強度比，最小主瓣強度衰減比等參數(shù)。其中旁瓣/主瓣強度比，中央強度衰減比均是針對焦斑中央的光強分布曲線而言。根據(jù)激光 光束特性，焦斑中央的光強分布曲線是類高斯分布的，其主瓣的半高全寬值即表征了激光能量 集中程度以及發(fā)生雙光子聚合的區(qū)域大小。因此，分辨率增強因子可用采取超分辨器件前后所 得到的光強分布曲線的主瓣半高全寬比來表示。確定具體參數(shù)時，應考慮到最大旁瓣/主瓣強度比過大可能引起其它非中央?yún)^(qū)域發(fā)生聚合反 應，主瓣強度衰減比過小則可能導致中心光場強度不足以引發(fā)雙光子聚合反應。另一方面，過 小的最大旁瓣/主瓣強度比和過大的主瓣強度衰減比均會導致最終分辨率增強效果的減弱。因此， 最大旁瓣/主瓣強度比可取0.2左右，而在激光器功率較強的情況下，可暫不約束主瓣強度衰減 比。衍射光學器件環(huán)帶數(shù)目的選取則應充分考慮加工難度和成本， 一般來說，衍射光學器件環(huán) 帶數(shù)目越大，最終優(yōu)化設(shè)計得到的結(jié)果越好，但加工難度及成本將大大提高而結(jié)果改善幅度將 逐漸變小。2、 根據(jù)所確定的環(huán)帶數(shù)目n，衍射器件設(shè)計所需要確定的各環(huán)帶歸一化半徑為(r以2…rw)， 其中0〈r^…〈rn〈l。如果ri(i-l，2…n-l)每隔0.04取一個值遍歷所有可能，(n,r2…iw)共有25!/(26-n)！ 種情形。針對每種情形計算其具體的旁瓣/主瓣強度比及分辨率增強因子，即可選出幾組最優(yōu)結(jié) 果并作為后續(xù)全局優(yōu)化算法所需的初始解。針對每種情形的具體計算公式可參看(Mathematical and Physical Sciences[J], 1959， 253， 358-379)和(光子學報[J]， 2003, 32)。隨后需要求解的全局優(yōu)化問題描述如下，其中F為與分辨率增強因子有關(guān)的函數(shù)，在不同 設(shè)計需求下具有不同形式，MA，MT分別為軸向和徑向的旁瓣/主瓣強度比，Mo為設(shè)定的旁瓣/主 瓣強度比上限(如0.2):max{F} "iW"^ <M0，Mr <_1/0,0<^ <r2 =1采用任何一種成熟的全局優(yōu)化算法(如遺傳優(yōu)化算法)均可最終得到各環(huán)帶歸一化半徑的全 局最優(yōu)解。3、 根據(jù)步驟2計算所得到的各環(huán)帶歸一化半徑的全局最優(yōu)解(n…r^)結(jié)合物鏡入口光闌半 徑R即確定了衍射器件的各環(huán)帶半徑(R尸R、， ^r,2…n-r)。衍射器件的基底厚度在理論上并不影響分辨率增強效果，但實際應用時為了不對原光路產(chǎn)生過大影響，應結(jié)合加工條件在保證器件 強度的前提下采用較薄基片。而前面己分析衍射器件相鄰環(huán)帶的厚度差為二分之一入射光波波 長入。至此就基本確定了衍射光學器件的具體結(jié)構(gòu)。


圖1是現(xiàn)有飛秒激光雙光子聚合加工系統(tǒng)示意圖；圖中，101飛秒激光器，102光路開關(guān)，103全反鏡，104光束衰減器，105擴束器，106顯 微物鏡，107光刻膠，108微動臺，109聚光鏡，IIO控制計算機，1U成像透鏡，112分光鏡， 113CCD, 114監(jiān)視計算機；圖2是衍射光學器件在系統(tǒng)中的位置示意圖，圖中，201準直擴束后的飛秒激光束，202衍射光學器件，203顯微物鏡； 圖3是衍射光學器件的分辨率增強原理示意圖，圖中，301為經(jīng)過擴束準直的激光相位分布，303為經(jīng)過衍射光學器件后產(chǎn)生相移的激光相 位分布，305為激光經(jīng)顯微物鏡聚焦后的光強分布；圖4是經(jīng)過衍射光學器件整形(虛線部分)和未經(jīng)整形的激光束(實線部分)分別經(jīng)顯微物鏡聚 焦得到的強度分布函數(shù)，圖中，402/401表示中央光強衰減比，403/402表示最大旁瓣強度比，404/405為分辨率增強因子圖5是衍射光學器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是分別加入徑向分辯率增強器件以及不加衍射器件得到的焦點附近橫、縱向歸一化光 強分布；圖7是分別加入三維分辯率增強器件以及不加衍射器件得到的焦點附近橫、縱向歸一化光 強分布。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明?，F(xiàn)有飛秒激光雙光子聚合加工系統(tǒng)如圖1所示，飛秒激光器101發(fā)出的激光束經(jīng)過光路開 關(guān)102、全反鏡103、光束衰減器104、擴束器105后，得到能量合適的準直激光束，再經(jīng)顯微 物鏡106聚焦到光刻膠107中引發(fā)雙光子聚合反應，每次在焦點處形成一個聚合單點。再由控 制計算機110同時控制微動臺108的移動和光路開關(guān)102的開合，使得激光焦斑相對光刻膠走 出所期望的軌跡，即可逐點聚合加工出所期望的三維結(jié)構(gòu)。另外，聚光鏡109，成像透鏡lll, 分光鏡112， CCD113以及監(jiān)視計算機114的作用是實時捕捉當前加工圖像，實現(xiàn)實時監(jiān)控。本發(fā)明衍射光學器的應用是在圖1所示系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行的'。如圖2'所示，衍射光學器件202放置在顯微物鏡106之前，安裝位置與系統(tǒng)光軸垂直同心，器件202主體部分外圍尺寸與加 工系統(tǒng)中的顯微物鏡106入口光闌尺寸一致。這樣，經(jīng)過擴束器105準直的激光束在聚焦前實 際先經(jīng)過了衍射器件202的調(diào)制。本發(fā)明衍射光學器件的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其圓形主體部分由石英基片刻蝕而成。主體表面 結(jié)構(gòu)經(jīng)過微細加工形成多個同心圓環(huán)區(qū)域，不同區(qū)域的深度不同，使入射激光經(jīng)過不同區(qū)域產(chǎn) 生不同的相移。如圖5所示，該器件主體的俯視圖為一系列同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，從半剖視圖可看出 各圓環(huán)厚度交替變化，相鄰環(huán)帶的厚度差為二分之一入射光波波長入，相隔一個環(huán)帶的兩個區(qū) 域的厚度相同，這使得經(jīng)過鄰近環(huán)帶區(qū)域調(diào)制后的激光波面存在大小為^的相位差。該衍射光學器件202的作用機理如圖3所示，301為平行入射的飛秒激光束初始相位分布， 303為經(jīng)過衍射器件202后的相位分布，305中的實線部分表示相位分布為301的激光束直接 經(jīng)顯微物鏡聚焦后的光強分布，虛線部分表示相位分布為303的激光束經(jīng)顯微物鏡聚焦后的光 強分布。衍射器件202的作用是改變經(jīng)顯微物鏡聚焦前的激光相位分布。以下通過選擇合適的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，達到銳化徑向光強分布主瓣，提高徑向雙光子加工分 辯率的目的。圖4所示為經(jīng)過衍射光學器件整形前后的激光束，分別經(jīng)顯微物鏡聚焦得到的強 度分布函數(shù)，實線和虛線分別表示使用衍射光學器件前后得到的強度分布函數(shù)，402/401表示中 央光強衰減比，403/402表示最大旁瓣強度比，404/405為分辨率增強因子。下面結(jié)合本發(fā)明衍射光學器件的兩種實施情況說明本發(fā)明的設(shè)計方法。 實施例1使用本發(fā)明的實驗系統(tǒng)具體參數(shù)為飛秒激光波長A-740nm，基底材料(石英)折射率 n=1.458，物鏡數(shù)值孔徑NA=0.56、入口光闌直徑8mm，衍射光學器件環(huán)帶數(shù)目m=5。限定徑 向旁瓣/主瓣強度比小于Mo=0.25，主瓣強度衰減比S大于So=0.3。由于所用物鏡數(shù)值孔徑較小，可根據(jù)標量衍射理論確定各光強分布參數(shù)與各環(huán)帶歸一化半 徑rj之間的關(guān)系式。優(yōu)化目標為rj,優(yōu)化函數(shù)為F(rj)=max{GT}， MT<Mo, S>So, 0<ri<r2<"'<rn=l 。 先遍歷25!/(26-n)!種可能的(n,r2…rn.,)情形，分別對每種情形計算出F, MT，對所有結(jié)果進行排序， 優(yōu)選出最佳的幾種情形作為全局優(yōu)化算法的初始解。隨后利用全局優(yōu)化算法最終確定的各個環(huán) 帶歸一化半徑為r產(chǎn)0.328，r2-0.4，rf0.518,r4-0.655，徑向分辨率增強因子G產(chǎn)130.3。/。，徑向、軸 向最大旁瓣強度/主瓣強度比分別為3.7%， 33.6%,中央強度衰減比為32.9%。所確定的衍射光 學器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其中器件厚度At^lOym,器件主體半徑F6mm，衍射光學器 件主體表面的二級臺階高度差Ad-851.53nm。在雙光子加工系統(tǒng)中應用以上超分辨器件前后的光強歸一化對比圖如圖6所示，其中虛線 表示應用了超分辨器件。可見該器件對焦斑徑向主瓣有銳化作用，且對旁瓣抑制效果好，能起'到雙光子加工徑向分辯率增強作用。 實施例2使用本發(fā)明的實驗系統(tǒng)的具體參數(shù)為飛秒激光波長A-740nm，基底材料(石英)折射率 n=1.458，物鏡數(shù)值孔徑NA4.3、入口光闌直徑-8mm，衍射光學器件環(huán)帶數(shù)目m=5。限定徑向、 軸向旁瓣/主瓣強度比Mt, Ma均小于M(p0.25，主瓣強度衰減比大于So=0.18。由于使用了大數(shù)值孔徑的浸沒式物鏡，需要依據(jù)矢量衍射理論確定各光強分布參數(shù)與各環(huán) 帶歸一化半徑rj之間的關(guān)系式。優(yōu)化目標為rj,優(yōu)化函數(shù)為F(rj)=max{GAGT}， MA<Mo， MT<M0， S>So, (Kn々2〈…々fl 。先遍歷25!/(26-n)!種可能的(n,r2…rn-0情形，分別對每種情形計算出F, MA， MT,對所有結(jié)果進行排序，優(yōu)選出最佳的幾種情形作為全局優(yōu)化算法的初始解。然后利用 全局優(yōu)化算法最終確定各個環(huán)帶歸一化半徑為n-0.25, r2=0.33, r3=0,43， r4=0.49，徑向、軸向分辨 率增強因子分別為111.3%, 108.2%,徑向、軸向最大旁瓣強度比分別為24.9%， 6.4%,中央強度 衰減比為18%。所確定的衍射光學器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其中器件厚度Ah^OPm，器 件主體半徑r=6mm,衍射光學器件主體表面的二級臺階高度差AcH851.53nm。在雙光子加工系統(tǒng)中應用以上超分辨器件前后的光強歸一化對比圖如圖6所示，其中虛線 表示應用了超分辨器件。可見該器件對焦斑徑向和軸向主瓣均有銳化作用，且對旁瓣抑制效果 好，能起到雙光子加工三維分辯率增強作用。
權(quán)利要求
1、一種用于雙光子微細加工的三維超分辨衍射光學器件，包括外部支架和透明材料構(gòu)成的圓形主體，其特征在于主體表面有多個同心圓環(huán)區(qū)域，各個同心圓環(huán)區(qū)域厚度不同；各圓環(huán)區(qū)域的厚度的規(guī)律如下相鄰環(huán)帶的厚度差為二分之一入射光波波長λ，相鄰環(huán)帶區(qū)域的厚度差使得雙光子聚合加工所用的飛秒激光分別透過后產(chǎn)生大小為π的相位差；相隔一個環(huán)帶的兩個區(qū)域的厚度相同，主體部分外圍尺寸與雙光子加工系統(tǒng)中的顯微物鏡入口光闌一致。
全文摘要
一種用于雙光子微細加工的三維超分辨衍射光學器件，包括外部支架和透明材料構(gòu)成的圓形主體。主體表面有多個同心圓環(huán)區(qū)域，各個同心圓環(huán)區(qū)域厚度不同；各圓環(huán)區(qū)域的厚度的規(guī)律如下相鄰環(huán)帶的厚度差為二分之一入射光波波長λ，相鄰環(huán)帶區(qū)域的厚度差使得雙光子聚合加工所用的飛秒激光分別透過后產(chǎn)生大小為π的相位差；相隔一個環(huán)帶的兩個區(qū)域的厚度相同，主體部分外圍尺寸與雙光子加工系統(tǒng)中的顯微物鏡入口光闌一致。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低，可同時提高原系統(tǒng)的橫向和軸向加工分辨率。該器件可針對不同顯微鏡數(shù)值進行具體設(shè)計，在雙光子干式或浸油式微細加工中均能發(fā)揮三維分辨率增強作用，可用于亞微米級的二維圖案和三維結(jié)構(gòu)加工。
文檔編號G11B7/1353GK101221258SQ20071017881
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月5日
發(fā)明者李艷秋, 韋曉全 申請人:中國科學院電工研究所