專(zhuān)利名稱(chēng)：三維達(dá)曼陣列產(chǎn)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于二元光學(xué)元件的激光聚焦光場(chǎng)三維達(dá)曼陣列產(chǎn)生技術(shù)，特別是一種可以實(shí)現(xiàn)沿軸向和橫向擴(kuò)展的等強(qiáng)度的聚焦光斑的三維達(dá)曼陣列產(chǎn)生器。
背景技術(shù)：
自1960年代以來(lái)，激光器的發(fā)明給人類(lèi)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(chǎng)在激光加工、激光手術(shù)、光鑷等場(chǎng)合表現(xiàn)出了無(wú)比的優(yōu)越性，發(fā)揮著其不可替代的作用。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的單路激光聚焦，其聚焦后場(chǎng)只有一個(gè)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(shí)獲得多個(gè)聚焦光斑的技術(shù)。然而，微透鏡制作困難，同時(shí)光路應(yīng)用不靈活，最重要的是對(duì)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(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)單路激光聚焦在焦面上的橫向多焦點(diǎn)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多路的并行激光加工或激光捕獲。在各種衍射光學(xué)器件中，達(dá)曼光柵以其高的衍射效率、設(shè)計(jì)加工簡(jiǎn)單、方便批量復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)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?yàn)楣庾泳w在負(fù)折射材料超分辨和高效率光子傳導(dǎo)材料等方面的應(yīng)用前景，受到人們的極大重視，同時(shí)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(shí)至今日有關(guān)光學(xué)波段的三維光子晶體的制作依然是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作。聚焦激光單點(diǎn)掃描為制作光子晶體提供一個(gè)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(diǎn)。同時(shí)，在利用激光掃描制作三維光子晶體的過(guò)程中，縱向掃描需要極高精度的伺服跟蹤，尤其是對(duì)于光學(xué)波段的光子晶體。傳統(tǒng)的衍射光學(xué)元件像達(dá)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(diǎn)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(biāo)量聚焦理論范圍內(nèi)，從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了基于達(dá)曼位相調(diào)制技術(shù)可以在聚焦透鏡的幾何焦點(diǎn)附近實(shí)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(gè)所謂的采用達(dá)曼編碼的三維光柵而產(chǎn)生的，該方案從本質(zhì)上來(lái)講是一種計(jì)算機(jī)全息圖。這種集成的三維光柵實(shí)質(zhì)上是一個(gè)二維達(dá)曼光柵和一個(gè)達(dá)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(xì)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(chǎng)中，因?yàn)榈蛿?shù)值孔徑透鏡的通光孔徑一般都在厘米量級(jí)。而實(shí)際的應(yīng)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(gè)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?cái)?shù)不能達(dá)到足夠多。這會(huì)導(dǎo)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(yàn)證，不能用于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)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(biāo)量聚焦理論范圍內(nèi)設(shè)計(jì)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(dá)曼陣列產(chǎn)生器，以產(chǎn)生等強(qiáng)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(gè)IXQ的達(dá)曼波帶片和一個(gè) MXN的達(dá)曼光柵，從而在高數(shù)值孔徑物鏡的幾何焦點(diǎn)附近產(chǎn)生等強(qiáng)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(dá)曼陣列產(chǎn)生器，特點(diǎn)在于其構(gòu)成是沿入射的均勻強(qiáng)度激光平面波方向依次包括二維達(dá)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(dá)曼波帶片和消像差聚焦物鏡，所述的二維達(dá)曼光柵是MXN的達(dá)曼光柵，所述的達(dá)曼波帶片是1 X Q 達(dá)曼波帶片，所述的達(dá)曼波帶片和所述的消像差聚焦物鏡的中心對(duì)準(zhǔn)。所述的達(dá)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(dá)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(duì)于不同的數(shù)值孔徑， 所述的達(dá)曼波帶片的歸一化半徑需要重新設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)流程如下①根據(jù)具體應(yīng)用要求，確定所述的達(dá)曼波帶片的軸向焦斑數(shù)目Q ；②由達(dá)曼光柵位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)Ns的經(jīng)驗(yàn)公式，即當(dāng)Q為奇數(shù)時(shí)，Ns = Ntl ；當(dāng)Q為偶數(shù)時(shí)，Ns = 2Ν0+2，其中N0 = 2int {(Q-I) /4} +2，而int為取整函數(shù)，確定達(dá)曼波帶片相對(duì)t = cos θ的每個(gè)周期內(nèi)需要加入的位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)數(shù)目Ns，其中θ為所述的聚焦物鏡聚焦后場(chǎng)對(duì)應(yīng)的孔徑角；③根據(jù)公式Δζ = ^，確定達(dá)曼波帶片相對(duì)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(duì)應(yīng)的最大孔徑角，λ為工作波長(zhǎng)；④選定IXQ達(dá)曼波帶片歸一化位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為達(dá)曼波帶片相對(duì)t = cos θ的每個(gè)周期內(nèi)的位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)的初值；⑤拓展到Np個(gè)周期，由關(guān)系式ξ = t-(l+C0Sa)/2解算出所有的位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對(duì)于ξ的值；⑥由關(guān)系式 = C0W =sina)2，求出所有位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對(duì)于徑向坐標(biāo)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(jì)算出軸向強(qiáng)度分布，找出所設(shè)計(jì)的焦斑對(duì)應(yīng)的歸一化強(qiáng)度峰值I,；⑧計(jì)算出所設(shè)計(jì)的焦斑強(qiáng)度峰峰值對(duì)應(yīng)的效率和均勻性；⑨對(duì)所述的效率和均勻性進(jìn)行判斷，當(dāng)效率達(dá)到最大，且均勻性最小，進(jìn)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(qiáng)度分布入射場(chǎng)、 6X6X5的三維達(dá)曼陣列產(chǎn)生器所對(duì)應(yīng)的所述的二維達(dá)曼光柵是1X5達(dá)曼波帶片，其歸一化半徑從r0到r20共21個(gè)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(chǎng)產(chǎn)生規(guī)則(類(lèi)似晶格結(jié)構(gòu)排布)的三維聚焦光斑陣列，我們稱(chēng)之為聚焦光斑的三維達(dá)曼陣列產(chǎn)生器。首先，本發(fā)明是基于矢量聚焦理論設(shè)計(jì)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(gè)達(dá)曼波帶片『先前技術(shù)發(fā)明專(zhuān)利“達(dá)曼波帶片”CN 10206^87A』和一個(gè)傳統(tǒng)的二維達(dá)曼光柵。這種技術(shù)方案大大降低了對(duì)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(shí)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(shí)，這種分離的結(jié)構(gòu)還使得在一定程度上可以便于實(shí)現(xiàn)這種三維達(dá)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(yīng)用起來(lái)更加靈活、有效，尤其是對(duì)于高數(shù)值孔徑物鏡聚焦的情況下更是如此。這種三維達(dá)曼陣列具有等強(qiáng)度、在空間上排布規(guī)則、微米甚至亞微米聚焦光斑的特點(diǎn)，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(shí)，這種等強(qiáng)度規(guī)則分布的三維聚焦光斑陣列可以廣泛應(yīng)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(cè)等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明激光三維達(dá)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(dá)曼波帶片的設(shè)計(jì)流程圖。圖3是6X6X5的三維達(dá)曼陣列示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，一、理論設(shè)計(jì)1、高數(shù)值孔徑物鏡三維聚焦光場(chǎng)的物理模型對(duì)如圖1所示高數(shù)值孔徑物鏡聚焦光場(chǎng)，建立柱坐標(biāo)系。其中，光軸的方向沿ζ軸方向，而柱坐標(biāo)的橫向極軸在圖1所示的平面內(nèi)，坐標(biāo)原點(diǎn)在所述的消像差聚焦物鏡500的幾何焦點(diǎn)處501。在德拜近似下，消像差聚焦物鏡500在焦點(diǎn)附近的三維聚焦場(chǎng)可以表示為
權(quán)利要求
1.一種三維達(dá)曼陣列產(chǎn)生器，特征在于其構(gòu)成是沿入射的均勻強(qiáng)度激光平面波(001) 方向依次包括二維達(dá)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(dá)曼波帶片(200)和消像差聚焦物鏡(500)，所述的二維達(dá)曼光柵 (100)是MXN的達(dá)曼光柵，所述的達(dá)曼波帶片(200)是IXQ達(dá)曼波帶片，所述的達(dá)曼波帶片(200)和所述的消像差聚焦物鏡(500)的中心對(duì)準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維達(dá)曼陣列產(chǎn)生器，其特征在于所述的達(dá)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(dá)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(duì)于不同的數(shù)值孔徑，所述的達(dá)曼波帶片 (200)的歸一化半徑需要重新設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)流程如下①根據(jù)具體應(yīng)用要求，確定所述的達(dá)曼波帶片(200)的軸向焦斑數(shù)目Q；②由達(dá)曼光柵位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)Ns的經(jīng)驗(yàn)公式，即當(dāng)Q為奇數(shù)時(shí)，Ns= Ntl ；當(dāng)Q為偶數(shù)時(shí)，Ns =2NQ+2，其中N0 = 2int {(Q-I) /4} +2，而int為取整函數(shù)，確定達(dá)曼波帶片相對(duì)t = cos θ 的每個(gè)周期內(nèi)需要加入的位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)數(shù)目Ns，其中θ為所述的聚焦物鏡(500)聚焦后場(chǎng)對(duì)應(yīng)的孔徑角；③根據(jù)公式Δζ= ^，確定達(dá)曼波帶片(200)相對(duì)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(duì)應(yīng)的最大孔徑角，λ為工作波長(zhǎng)；④選定IXQ達(dá)曼波帶片歸一化位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為達(dá)曼波帶片相對(duì)t= cos θ的每個(gè)周期內(nèi)的位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)的初值；⑤拓展到Np個(gè)周期，由關(guān)系式ξ= t-(l+C0Sa)/2解算出所有的位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對(duì)于 I的值；⑥由關(guān)系式i= CoW =sina)2，求出所有位相轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對(duì)于徑向坐標(biāo)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(jì)算出軸向強(qiáng)度分布，找出所設(shè)計(jì)的焦斑對(duì)應(yīng)的歸一化強(qiáng)度峰值I “⑧計(jì)算出所設(shè)計(jì)的焦斑強(qiáng)度峰峰值對(duì)應(yīng)的效率和均勻性；⑨對(duì)所述的效率和均勻性進(jìn)行判斷，當(dāng)效率達(dá)到最大，且均勻性最小，進(jìn)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(dá)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(qiáng)度分布入射場(chǎng)、6X6X5的三維達(dá)曼陣列產(chǎn)生器所對(duì)應(yīng)的所述的二維達(dá)曼光柵(100)是1X5、5周期的達(dá)曼波帶片，其歸一化半徑從Γ(ι 到巧。共 21 個(gè)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(dá)曼陣列產(chǎn)生器，特點(diǎn)是其構(gòu)成包括沿入射的均勻強(qiáng)度激光平面波前進(jìn)方向依次的二維達(dá)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(dá)曼波帶片和消像差聚焦物鏡，所述的二維達(dá)曼光柵是M×N的達(dá)曼光柵，所述的達(dá)曼波帶片是1×Q達(dá)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(kuò)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(qiáng)度相等。本發(fā)明產(chǎn)生的激光聚焦焦斑三維達(dá)曼陣列可以廣泛應(yīng)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(xì)胞捕獲以及三維檢測(cè)等方面。
文檔編號(hào)G02B27/44GK102385169SQ20111038831
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所