专利名称：三维达曼阵列产生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于二元光学元件的激光聚焦光场三维达曼阵列产生技术，特别是一种可以实现沿轴向和横向扩展的等强度的聚焦光斑的三维达曼阵列产生器。
背景技术：
自1960年代以来，激光器的发明给人类的生产生活带了革命性的变化。正是由于激光的单色性、相干性和高亮度，激光的聚焦场在激光加工、激光手术、光镊等场合表现出了无比的优越性，发挥着其不可替代的作用。然而，对于传统的单路激光聚焦，其聚焦后场只有一个聚焦光斑，激光加工和激光捕获效率低。微透镜阵列是一种可以同时获得多个聚焦光斑的技术。然而，微透镜制作困难，同时光路应用不灵活，最重要的是对于微透镜阵列的像差矫正困难，激光聚焦效率低。于是，人们就提出利用衍射光学方法来实现单路激光聚焦在焦面上的横向多焦点，这样就可以实现多路的并行激光加工或激光捕获。在各种衍射光学器件中，达曼光栅以其高的衍射效率、设计加工简单、方便批量复制等优点得到人们广泛重视。光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，因为光子晶体在负折射材料超分辨和高效率光子传导材料等方面的应用前景，受到人们的极大重视，同时也引起广大科研人员的极大研究热情。然而，尽管这种具有周期性折射率分布的结构早在1887 年就被提出，时至今日有关光学波段的三维光子晶体的制作依然是一个极具挑战性的工作。聚焦激光单点扫描为制作光子晶体提供一个可行的技术方案，然而，这种方法跟传统的激光加工一样，同样具有效率低下的缺点。同时，在利用激光扫描制作三维光子晶体的过程中，纵向扫描需要极高精度的伺服跟踪，尤其是对于光学波段的光子晶体。传统的衍射光学元件像达曼光栅并不能提供一种纵向的并行加工能力，在纵向伺服上的要求跟单点激光扫描一样，极为苛刻。最近，((Applied Optics》杂志上发表了一种基于空间光调制器的三维聚焦光斑阵列产生方案『Applied Optics,50,3653(2011) J0该技术方案在标量聚焦理论范围内，从理论和实验上验证了基于达曼位相调制技术可以在聚焦透镜的几何焦点附近实现三维的聚焦光斑的空间分布。然而，该技术是基于一个所谓的采用达曼编码的三维光栅而产生的，该方案从本质上来讲是一种计算机全息图。这种集成的三维光栅实质上是一个二维达曼光栅和一个达曼波带片的叠加。这种叠加造成了位相信息量的大量增加，图案细节变得非常杂乱并且最小线宽急剧减小。然而，由于其固有的低的空间分辨率，这种基于空间光调制器的方案只能用在低数值孔径透镜聚焦场中，因为低数值孔径透镜的通光孔径一般都在厘米量级。而实际的应用中(如光子晶体制作等)，往往要求聚焦透镜数值孔径要足够大，这样才能提供足够高的能量密度和微米、以至亚微米的聚焦光斑。高数值孔径物镜的通光孔径一般在几个毫米，这就使得基于空间光调制器的三维光栅在孔径内的周期数和总的像素数不能达到足够多。这会导致所产生的三维聚焦光斑均勻性和效率大大降低，甚至三维光斑效果完全被破坏。所以，这种基于空间光调制器的三维光栅技术方案只能是一种原理上的验证，不能用于大多数实际应用中。另外，即便空间光调制器能够提供足够高的空间分辨率， 该技术方案所用的三维光栅是在标量聚焦理论范围内设计的，并不能适用于高数值孔径聚
焦ο
发明内容
本发明的目的在于提供一种可适用于任何数值孔径聚焦下的三维达曼阵列产生器，以产生等强度的MXNXQ的三维焦斑阵列的规则分布。本发明的基本思想是在高数值孔径物镜的前加入一个IXQ的达曼波带片和一个 MXN的达曼光栅，从而在高数值孔径物镜的几何焦点附近产生等强度MXNXQ的三维焦斑阵列的规则分布。本发明的技术解决方案如下一种三维达曼阵列产生器，特点在于其构成是沿入射的均勻强度激光平面波方向依次包括二维达曼光栅、由第一透镜和第二透镜组成的共焦透镜组、入射光瞳、达曼波带片和消像差聚焦物镜，所述的二维达曼光栅是MXN的达曼光栅，所述的达曼波带片是1 X Q 达曼波带片，所述的达曼波带片和所述的消像差聚焦物镜的中心对准。所述的达曼波带片是一系列的位相为0，π相间的同心圆环结构，所述的达曼波带片的归一化半径与所述的消像差聚焦物镜的数值孔径直接相关，对于不同的数值孔径， 所述的达曼波带片的归一化半径需要重新设计，具体设计流程如下①根据具体应用要求，确定所述的达曼波带片的轴向焦斑数目Q ；②由达曼光栅位相转折点Ns的经验公式，即当Q为奇数时，Ns = Ntl ；当Q为偶数时，Ns = 2Ν0+2，其中N0 = 2int {(Q-I) /4} +2，而int为取整函数，确定达曼波带片相对t = cos θ的每个周期内需要加入的位相转折点数目Ns，其中θ为所述的聚焦物镜聚焦后场对应的孔径角；③根据公式Δζ = ^，确定达曼波带片相对于t = cos θ的周期数目Np，其
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中Δζ为轴向焦斑间隔，α = arcsin(NA)为消像差聚焦物镜数值孔径NA对应的最大孔径角，λ为工作波长；④选定IXQ达曼波带片归一化位相转折点作为达曼波带片相对t = cos θ的每个周期内的位相转折点的初值；⑤拓展到Np个周期，由关系式ξ = t-(l+C0Sa)/2解算出所有的位相转折点相对于ξ的值；⑥由关系式 = C0W =sina)2，求出所有位相转折点相对于径向坐标的值 {8山即所有归一化半径值，其中11 = 0，1，2，··· (NsNp)；⑦根据矢量衍射理论计算出轴向强度分布，找出所设计的焦斑对应的归一化强度峰值I,；⑧计算出所设计的焦斑强度峰峰值对应的效率和均勻性；⑨对所述的效率和均勻性进行判断，当效率达到最大，且均勻性最小，进入步骤 ⑩；否则，返回步骤④；⑩输出所有归一化半径Is1J的值。
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所述的消像差聚焦物镜的数值孔径NA = 0.9，线偏振均勻强度分布入射场、 6X6X5的三维达曼阵列产生器所对应的所述的二维达曼光栅是1X5达曼波带片，其归一化半径从r0到r20共21个的具体数值依次为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。本发明的技术效果本发明中所述技术方案可以在高数值孔径物镜的聚焦后场产生规则(类似晶格结构排布)的三维聚焦光斑阵列，我们称之为聚焦光斑的三维达曼阵列产生器。首先，本发明是基于矢量聚焦理论设计的，所以它能够适用于任何数值孔径聚焦条件。另外，本发明提出了一种分离技术方案，其核心是采用一个达曼波带片『先前技术发明专利“达曼波带片”CN 10206^87A』和一个传统的二维达曼光栅。这种技术方案大大降低了对器件制作的空间分辨率的要求，并且本发明中所有的器件都是纯位相的二元器件，可以采用成熟的光刻工艺方便的实现。与空间光调制器相比，这种纯位相器件可以提供足够高的空间分辨率。 同时，这种分离的结构还使得在一定程度上可以便于实现这种三维达曼阵列的结构、排布和数目调节。所以，相比于先前技术，本发明应用起来更加灵活、有效，尤其是对于高数值孔径物镜聚焦的情况下更是如此。这种三维达曼阵列具有等强度、在空间上排布规则、微米甚至亚微米聚焦光斑的特点，为光子晶体的制作加工提供一种比较理想的技术方案。同时，这种等强度规则分布的三维聚焦光斑阵列可以广泛应用于激光加工(包括激光切割和激光微纳加工，三维光子晶体的制作)、并行三维激光捕获以及三维检测等领域。
图1是本发明激光三维达曼阵列产生器的光路示意图。图2是高数值孔径下的达曼波带片的设计流程图。图3是6X6X5的三维达曼阵列示意图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围，一、理论设计1、高数值孔径物镜三维聚焦光场的物理模型对如图1所示高数值孔径物镜聚焦光场，建立柱坐标系。其中，光轴的方向沿ζ轴方向，而柱坐标的横向极轴在图1所示的平面内，坐标原点在所述的消像差聚焦物镜500的几何焦点处501。在德拜近似下，消像差聚焦物镜500在焦点附近的三维聚焦场可以表示为
权利要求
1.一种三维达曼阵列产生器，特征在于其构成是沿入射的均勻强度激光平面波(001) 方向依次包括二维达曼光栅(100)、由第一透镜(300)和第二透镜(400)组成的共焦透镜组、入射光瞳(600)、达曼波带片(200)和消像差聚焦物镜(500)，所述的二维达曼光栅 (100)是MXN的达曼光栅，所述的达曼波带片(200)是IXQ达曼波带片，所述的达曼波带片(200)和所述的消像差聚焦物镜(500)的中心对准。
2.根据权利要求1所述的三维达曼阵列产生器，其特征在于所述的达曼波带片(200) 是一系列的位相为0，相间的同心圆环结构，所述的达曼波带片O00)的归一化半径与所述的消像差聚焦物镜(500)的数值孔径直接相关，对于不同的数值孔径，所述的达曼波带片 (200)的归一化半径需要重新设计，具体设计流程如下①根据具体应用要求，确定所述的达曼波带片(200)的轴向焦斑数目Q；②由达曼光栅位相转折点Ns的经验公式，即当Q为奇数时，Ns= Ntl ；当Q为偶数时，Ns =2NQ+2，其中N0 = 2int {(Q-I) /4} +2，而int为取整函数，确定达曼波带片相对t = cos θ 的每个周期内需要加入的位相转折点数目Ns，其中θ为所述的聚焦物镜(500)聚焦后场对应的孔径角；③根据公式Δζ= ^，确定达曼波带片(200)相对于t = cos θ的周期数目Νρ，l-cosa其中Δ ζ为轴向焦斑间隔，α = arcsin(NA)为消像差聚焦物镜(500)数值孔径NA对应的最大孔径角，λ为工作波长；④选定IXQ达曼波带片归一化位相转折点作为达曼波带片相对t= cos θ的每个周期内的位相转折点的初值；⑤拓展到Np个周期，由关系式ξ= t-(l+C0Sa)/2解算出所有的位相转折点相对于 I的值；⑥由关系式i= CoW =sina)2，求出所有位相转折点相对于径向坐标的值IsJ， 即所有归一化半径值，其中n = 0，l，2，- (NsNp)；⑦根据矢量衍射理论计算出轴向强度分布，找出所设计的焦斑对应的归一化强度峰值I “⑧计算出所设计的焦斑强度峰峰值对应的效率和均勻性；⑨对所述的效率和均勻性进行判断，当效率达到最大，且均勻性最小，进入步骤⑩；否则，返回步骤④；⑩输出所有归一化半径{sn}的值。
3.根据权利要求1或2所述的三维达曼阵列产生器，其特征在于所述的消像差聚焦物镜(500)的数值孔径NA = 0. 9，线偏振均勻强度分布入射场、6X6X5的三维达曼阵列产生器所对应的所述的二维达曼光栅(100)是1X5、5周期的达曼波带片，其归一化半径从Γ(ι 到巧。共 21 个的具体数值依次为 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
一种三维达曼阵列产生器，特点是其构成包括沿入射的均匀强度激光平面波前进方向依次的二维达曼光栅、由第一透镜和第二透镜组成的共焦透镜组、入射光瞳、达曼波带片和消像差聚焦物镜，所述的二维达曼光栅是M×N的达曼光栅，所述的达曼波带片是1×Q达曼波带片，在所述的聚焦物镜的焦斑的一定范围内产生沿轴向和横向扩展的M×N×Q的三维激光聚焦焦斑阵列。这种三维的激光聚焦光斑沿轴向和横向间隔均匀，在空间上呈规则的“晶格”排布，并且各聚焦光斑强度相等。本发明产生的激光聚焦焦斑三维达曼阵列可以广泛应用于三维激光微纳加工包括三维光子晶体的制作、激光并行粒子及细胞捕获以及三维检测等方面。
文档编号G02B27/44GK102385169SQ20111038831
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者余俊杰, 周常河, 曹红超, 王少卿, 贾伟, 麻健勇 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所