[發(fā)明專利]一種用于雙光子微細加工的三維超分辨衍射光學(xué)器件及其設(shè)計方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710178811.0
• 申請日: 2007-12-05
• 公開（公告）號: CN101221258A
• 公開（公告）日: 2008-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韋曉全;李艷秋
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院電工研究所
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18;G02B27/00;G11B7/135
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 關(guān)玲;成金玉

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(xué)器件及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)

隨著微納技術(shù)應(yīng)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(xué)、電子學(xué)、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。現(xiàn)有的飛秒激光雙光子微細加工系統(tǒng)如圖1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(yù)定路徑進行掃描，并在預(yù)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(yīng)，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(yīng)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(xué)器件，能夠有效地改善成像分辨特性，提高光學(xué)系統(tǒng)分辨率。通常情況下，衍射光學(xué)器件的不同區(qū)域?qū)θ肷涔饩哂胁煌耐高^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(yīng)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(yīng)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(xué)器件一般分為純相位型、純振幅型及相位振幅混合型三類。現(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π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(yīng)用于光盤讀寫、共焦顯微鏡、光刻等方面。例如，中國專利200510050520.4“一種提高光頭存儲密度的衍射光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)器件及其設(shè)計方法。本發(fā)明超分辨衍射光學(xué)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(xué)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(xué)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λ，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π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(yīng)結(jié)合加工難度和加工成本來考慮。