聚焦方法和聚焦装置与流程

本申请涉及超分辨成像、光刻及数据存储领域，特别涉及一种聚焦方法和聚焦装置。

背景技术：

激光由于单色性号、亮度高、准直性号、发散角小等特点，在微观测量和精密检测中发挥重要作用，广泛应用于激光数据存储、激光雷达、光刻设备和扫描显微镜等各个方面。在光刻技术以及高密度数据存储中，为了实现更高分辨率的测量，通常需要将激光光束聚焦到超分辨的聚焦光斑。而为了实现更小的聚焦光斑，需要复杂且高成本的设备，难以应用到工业生产。

技术实现要素：

本申请的实施例提供了一种聚焦方法和聚焦装置。

本申请实施方式的聚焦方法包括将光源发出的入射光调制成径向偏振光；通过位相板对所述径向偏振光进行位相编码；及将编码后的所述径向偏振光射向反射镜以得到聚焦光斑，所述反射镜的反射面为抛物面。

在某些实施方式中，所述将光源发出的入射光调制成径向偏振光，包括：通过偏振片或空间光调制器将所述入射光调制成所述径向偏振光。

在某些实施方式中，所述位相板包括第一透光区、第二透光区和第三透光区，所述第一透光区为圆形，所述第二透光区环绕所述第一透光区并为圆环形，所述第三透光区环绕所述第二透光区并为圆环形，所述通过位相板对所述径向偏振光进行位相编码，包括：将透过所述第一透光区和所述第三透光区的所述径向偏振光编码为第一位相延迟；及将透过所述第二透光区的所述径向偏振光编码为第二位相延迟，所述第一位相延迟和所述第二位相延迟相差π。

在某些实施方式中，所述第一位相延迟和所述第二位相延迟分别为0和π，或者所述第一位相延迟和所述第二位相延迟分别为π和0。

在某些实施方式中，所述第一透光区、第二透光区和第三透光区的最大半径依次为r1、r2和r3，其中，r1/r3位于区间[0.24，0.25]内，r2/r3位于区间[0.33，0.34]内，所述入射光被平行与所述位相板的平面截得的横截面为圆形，r3等于所述圆形的半径。

在某些实施方式中，所述反射镜的数值孔径位于区间[0.999，1.001]内。

本申请实施方式的聚焦装置包括沿光轴依次设置的光源、偏振装置、位相板和反射镜，所述光源用于向所述偏振装置发射入射光；所述偏振装置用于将所述入射光调制成径向偏振光；所述位相板用于对所述径向偏振光进行位相编码；所述反射镜用于将编码后的所述径向偏振光射向反射镜以得到聚焦光斑，所述反射镜的反射面为抛物面。

在某些实施方式中，所述偏振装置包括偏振片或空间光调制器。

在某些实施方式中，所述位相板包括第一透光区、第二透光区和第三透光区，所述第一透光区为圆形，所述第二透光区环绕所述第一透光区并为圆环形，所述第三透光区环绕所述第二透光区并为圆环形，所述位相板用于：将透过所述第一透光区和所述第三透光区的所述径向偏振光编码为第一位相延迟；及将透过所述第二透光区的所述径向偏振光编码为第二位相延迟，所述第一位相延迟和所述第二位相延迟相差π。

在某些实施方式中，所述第一位相延迟和所述第二位相延迟分别为0和π，或者所述第一位相延迟和所述第二位相延迟分别为π和0。

在某些实施方式中，所述第一透光区、第二透光区和第三透光区的最大半径依次为r1、r2和r3，其中，r1/r3位于区间[0.24，0.25]内，r2/r3位于区间[0.33，0.34]内，所述入射光被平行与所述位相板的平面截得的横截面为圆形，r3等于所述圆形的半径。

在某些实施方式中，所述反射镜的数值孔径位于区间[0.999，1.001]内。

本申请的聚焦方法和聚焦装置通过对调制的径向偏振光进行位相编码，再使用反射面为抛物面的反射镜聚焦以得到聚焦光斑，反射镜相较于透镜而言，能够实现更大的na(如na＝1)，从而使得位相板能够以更少的透光区进行位相编码，不仅能够获得较小的聚焦光斑，而且位相板的设计难度及成本要求较低，能够满足工业生产的需求。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请某些实施方式的聚焦方法的流程示意图；

图2是本申请某些实施方式的聚焦装置的结构示意图；

图3是本申请某些实施方式的位相板的平面示意图；

图4是聚焦光斑的径向分布示意图；及

图5是本申请某些实施方式的聚焦方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。另外，下面结合附图描述的本申请的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请的实施方式，而不能理解为对本申请的限制。

请参阅图1至图3，本申请实施方式的聚焦方法包括以下步骤：

011：将光源11发出的入射光调制成径向偏振光；

012：通过位相板30对径向偏振光进行位相编码；及

013：将编码后的径向偏振光射向反射镜40以得到聚焦光斑，反射镜40的反射面42为抛物面。

在某些实施方式中，聚焦装置100包括沿光轴o依次设置的光源10、偏振装置20、位相板30和反射镜40，光源10用于向偏振装置20发射入射光；偏振装置20用于将入射光调制成径向偏振光；位相板30用于对径向偏振光进行位相编码；反射镜40用于将编码后的径向偏振光射向反射镜40以得到聚焦光斑，反射镜40的反射面42为抛物面。也即是说，步骤011可以由光源10配合偏振装置20实现，步骤012可以由位相板30实现，步骤013可以由反射镜40实现。

具体地，采用多环带的0/π位相板调制的方法所使用的聚焦物镜一般都是透镜。设计多环带的0/π位相板是一个具有技巧性的科学问题，虽然0/π位相板上的环带数目越多，得到的聚焦光斑越小，但相应的设计难度就越大。除此之外，复杂的多环带的0/π位相板的实际工业制造也将变得极具挑战性，其研制成本会大大增加，而这几点对于工业生产是难以接受的。透镜的数值孔径(numericalaperture，na)描述了透镜收光锥角的大小，决定了透镜收光能力和空间分辨率，目前透镜的数值孔径虽然可以高达0.95，但是鉴于目前工业制造的水平，要想实现数值孔径na＝1的透镜几乎是不可能的，正是这一点使得0/π位相板的环带数目需要较多才能得到达到要求(如半波长级别)的聚焦光斑，从而使得0/π位相板的设计难度和工业成本增大，难以实现工业生产。

本申请的光源10向偏振装置20发射入射光，入射光可以是可见光、红外光等，入射光的出射光波面可以是贝塞尔-高斯(bessel-gaussian)形，具有贝塞尔-高斯形出射光波面的光源10市面上较多，成本也较低。本申请通过偏振装置20将入射光调制成径向偏振光，其中，径向偏振光由于其独特的聚焦特性，当用高数值孔径的物镜(如本申请的反射镜40)对径向偏振光进行聚焦时，可在焦点附近获得一个横向尺寸很小的光场，有利于获取更小的聚焦光斑。径向偏振光每点的偏振方向都是沿着径向方向，其中，径向偏振光内的每一点的光偏振方向(在x轴的光偏振方向px、在y轴的光偏振方向py、在z轴的光偏振方向pz)可由以下单位矩阵表示：式中，φ为径向偏振光垂直z轴剖面内的位置极坐标矢量与x轴的夹角。

偏振装置20可以是偏振片或者空间光调制器，偏振片和空间光调制器均能够将入射光调制成径向偏振光，空间光调制器是一个复杂的系统，其能够实现较多的光学功能，例如调制入射光以出射特定类型的偏振光(如径向偏振光、切向偏振光等)，或者调制入射光以改变入射光的相位等，空间光调制器可由微结构光栅和干涉仪组成，当然，为实现不同或者更多的光学功能，空间光调制器还可包含其他部件，可根据具体需求确定，在此不做限制。

经过调制后的径向偏振光经偏振装置20射向位相板30，位相板30能够对射入的径向偏振光进行位相编码。位相板30包括自位相板30中心依次排布的第一透光区31、第二透光区32和第三透光区33，第一透光区31为圆形且圆形的圆心即为位相板30中心，第二透光区32环绕第一透光区31并为圆环形，第三透光区33环绕第二透光区32并为圆环形，也即是说，本申请的位相板30仅包括三个环带(即第一透光区31、第二透光区32和第三透光区33)，通过每个环带的径向偏振光具有不同的位相延迟以实现位相编码。本申请的位相板30的环带数目较少，设计难度和工业成本均较低，能够实现工业生产。

根据位相板30的透光区的形状，对应地，入射光可为圆柱形，入射光被平行与位相板30的平面截得的横截面为圆形，该圆形的半径即为第三透光区33的最大半径，从而使得调制后的径向偏振光能够刚好覆盖位相板30的三个透光区。或者，入射光的只需覆盖位相板30的三个透光区即可(如半径大于第三透光区33的最大半径的圆柱形，或者矩形等)，位相板30的第三透光区33之外的区域可设置成不透光或完全吸收光线，从而防止位于位相板30第三透光区33之外的区域的光线干扰位相板30对径向偏振光的位相编码。本实施方式中，位相板30的入光面刚好被分为第一透光区31至第三透光区33，偏振装置20为偏振片，位相板30为空间光调制器，且空间光调制器只需实现径向偏振光的位相编码即可；在其他实施方式中，位相板30通过光刻工艺加工而成，偏振装置20可采用空间光调制器且空间光调制器只需实现入射光的偏振调制功能即可。如此，空间光调制器只需实现单个功能即可，结构较为简单，可节省成本。

最后，经过位相编码的径向偏振光射向反射镜40的反射面42，反射镜40的反射面42为抛物面，且凹陷方向朝向位相板30，反射面42能够将经过位相编码的径向偏振光进行聚焦以形成聚焦光斑。该聚焦光斑附近的光束电场分布可以由如下公式计算得到：

式中，是以理想焦点位置为原点的柱坐标系，c为归一化常数，a1为入射光的光强分布参数，a2为抛物面反射镜404的结构参数，θ为抛物面反射镜40后的聚焦光线与光轴o的夹角，为光束垂直z轴剖面内位置极坐标矢量与x轴的夹角，i为虚数单位，k＝2π/λ。t(r)为位相板30的透过率函数，位相板30的不同位置具有不同的透光率，根据不同位置的位相的不同，其透过率也是不同的，第一透光区31和第三透光区33的透光率和第二透光区32的透光率为相反(如第一透光区31和第三透光区33的透光率为1，第二透光区32的透光率为-1；或者第一透光区31和第三透光区33的透光率为-1，第二透光区32的透光率为1)，本实施方式中，第一透光区31和第三透光区33的位相延迟为0，第二透光区32的位相延迟为π，位相板30的透过率函数t(r)可表示为其中r为在位相板30的径向位置，r1为第一透光区31的半径，r2为第二透光区32的最大半径，r3为第三透光区33的最大半径。采用上述公式可以计算得到焦平面上的聚焦光斑的大小。

反射镜40的数值孔径位于区间[0.999，1.001]内，例如，反射镜40的数值孔径为0.999、0.100、1.001等，从而使得位相板30的透光区数目可以减少到三个，是能够使得最终得到的聚焦光斑可以达到半波长量级所需的最少透光区数。在保证聚光光斑达到要求的前提下，最大化的简化聚焦装置100的结构，有利于聚焦装置100实现工业生产。

本申请实施方式的聚焦方法和聚焦装置100中，通过对调制的径向偏振光进行位相编码，再使用反射面42为抛物面的反射镜40聚焦以得到聚焦光斑，请结合图4，本申请得到的聚焦光斑的横向半高全宽可以达到0.4λ(面积为0.126λ²)，超越了传统的衍射极限，好于现有技术的聚焦水平。反射镜40相较于透镜而言，能够实现更大的na(如na＝1)，从而使得位相板30能够以更少的透光区(3个)进行位相编码，是能够实现半波长量级聚焦光斑的最少透光区数，不仅能够获得较小的聚焦光斑，产生的聚焦光斑的纵向场分量(z向分量)纯度可以达到85％，远好于大部分现有技术，而且相较于现有的较多(大于3)透光区的位相板30而言，设计位相板30的计算量更少，设计难度及成本要求较低，能够满足工业生产的需求。另外，聚焦方法和装置均较为简单，成本较低，在不改变聚焦装置100的安装主体结构的前提下，对于各种不同波长的入射光具有普适性。

请结合图5，在某些实施方式中，步骤012还包括：

0121：将透过第一透光区31和第三透光区33的径向偏振光编码为第一位相延迟；及

0122：将透过第二透光区32的径向偏振光编码为第二位相延迟，第一位相延迟和第二位相延迟相差π。

在某些实施方式中，位相板30还用于将透过第一透光区31和第三透光区33的径向偏振光编码为第一位相延迟；及将透过第二透光区32的径向偏振光编码为第二位相延迟，第一位相延迟和第二位相延迟相差π。也即是说，步骤0121和步骤0122可以由位相板30实现。

具体地，在对径向偏振光进行位相编码时，位相板30的不同透光区具有不同的位相延迟，其中，透过第一透光区31和第三透光区33的编码为第一位相延迟，透过第二透光区32的径向偏振光编码为第二位相延迟，第一位相延迟和第二位相延迟相差π以使得相邻的透光区的位相延迟均相差π，从而实现径向偏振光的位相编码。本实施方式中，第一透光区31和第三透光区33的位相延迟为0，第二透光区32的位相延迟为π；在其他实施方式中，第一透光区31和第三透光区33的位相延迟为π，第二透光区32的位相延迟为0；或者，第一透光区31和第三透光区33的位相延迟为π/2，第二透光区32的位相延迟为3/2π；只需保证第一位相延迟和第二位相延迟相差π即可实现径向偏振光的位相编码。

本实施方式中，通过精心设计位相板30的三个透光区所占的比例，使得r1/r3位于区间[0.24，0.25]内，r2/r3位于区间[0.33，0.34]内，例如，r1/r3为0.2425、0.2434、0.2442、0.2458、0.2465、0.2482、0.2495、0.2500等，r2/r3为0.3315、0.3325、0.3338、0.3348、0.3368、0.3387、0.3395、0.3400等。如此，第一透光区31至第三透光区33满足上述关系式，使得反射镜40聚焦得到的聚焦光斑的横向半高全宽可以达到0.4λ，超越了传统的衍射极限，聚焦效果较好。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。