一种高通量3D暗斑生成装置的制作方法

本发明属于光学工程领域，尤其涉及一种高通量3d暗斑生成装置。

背景技术：

微纳制造技术作为微纳器件制备的核心技术与现代信息产业的支撑技术，正受到广泛关注。当前广泛应用的电子束曝光与聚焦离子束刻蚀技术效率低，只适用于小面积制备与现象级研究。应用于大型生产线的高分辨光刻技术无法满足科学研究与产品打样。随着技术发展，人们的需求由二维转向任意三维结构，以上技术无法做到这一点。而激光直写得益于非线性光学效应，具有无掩膜、非真空的优势，其作为一项三维纳米制造手段已得到了广泛应。但受限于衍射极限，其分辨率无法突破半波长。采用深紫外光源可极大提升分辨率，但光学系统的设计、制造、集成面临的技术难度急剧增加，难以实现真正的应用。

双光束激光直写技术是一项基于激光直写技术的新型三维纳米加工技术，其在传统激光打印技术的基础上，增加一束空心损耗光束（暗斑）叠加在受衍射极限限制的直写光束上，抑制直写光束引发材料光聚合区域，从而将直写分辨率提升到50nm甚至更高。但是，目前该技术受限于单路光直写，加工速度较慢，无法实现产业化大规模应用。采用多路直写光束并行加工是提升加工速度最直接有效的方法，为此也需要一种高通量暗斑阵列来配合多路直写光束来实现快速激光直写。同时，该方法也可以应用于受激损耗超分辨成像技术中，用来实现并行快速超分辨成像。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高通量3d暗斑生成装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高通量3d暗斑生成装置，包括分光棱镜、第一二分之一波片、第一四分之一波片、横向高通量暗斑生成器件、第一反射镜、第二反射镜、第二二分之一波片、第二四分之一波片、纵向高通量暗斑生成器件、合束棱镜、微透镜阵列、第一透镜和第二透镜；其中，分光棱镜将入射光分成两路，一路依次经过第一二分之一波片、第一四分之一波片、横向高通量暗斑生成器件、第一反射镜后进入合束棱镜；分光棱镜的另一路出射光依次经过第二反射镜、第二二分之一波片、第二四分之一波片、纵向高通量暗斑生成器件后进入合束棱镜；两路光经过合束棱镜后，再依次经过微透镜阵列、第一透镜、第二透镜，最后呈像在第二透镜焦面处。

进一步地，所述入射光为线偏光平行方形光束阵列。

进一步地，所述横向高通量暗斑生成器件和纵向高通量暗斑生成器件均为两侧表面分别増镀遮光层和增透膜的透明基底，且对遮光层进行刻蚀，刻蚀位置形成阵列，两器件的刻蚀位置相同。

进一步地，所述透明基底为玻璃或塑料。

进一步地，在所述横向高通量暗斑生成器件的透明基底上刻写0-2π涡旋相位板，刻写位置与其遮光层刻蚀位置相同，形成0-2π涡旋相位阵列。

进一步地，所述横向高通量暗斑生成器件中的0-2π涡旋相位阵列与入射光的光束阵列同分布。

进一步地，在所述纵向高通量暗斑生成器件的透明基底上刻写0-π相位板，刻写位置与其遮光层刻蚀位置相同，形成0-π相位阵列。

进一步地，所述纵向高通量暗斑生成器件中的0-π相位阵列与入射光的光束阵列同分布。

本发明的有益效果是：本发明将并行激发光阵列通过横向高通量暗斑阵列的器件后，每束光都会被调制为涡旋相位光，每束光聚焦后会形成横向暗斑；并行光束聚焦后就会形成横向暗斑阵列；并行激发光通过纵向高通量暗斑阵列的器件后，每束光都会被调制为0-π相位分布，每束光聚焦后会形成纵向暗斑；并行光束聚焦后就会形成纵向暗斑阵列；将两种光束进行合束，聚焦后两种光斑进行非相干叠加，形成高通量3d暗斑阵列。本发明可提供稳定的高质量高通量3d暗斑阵列；且器件成本较低，体积较小，可以实现系统的高度集成；可实现并行双光束激光直写和并行受激发射损耗显微成像，极大的提升加工和成像速度。

附图说明

图1为本发明产生横向高通量暗斑器件的示意图；

图2为本发明产生的横向通量暗斑的示意图；

图3为本发明产生纵向高通量暗斑器件的示意图；

图4为本发明产生的纵向通量暗斑的示意图；

图5为本发明提供的一种产生高通量3d暗斑的装置示意图；

图6为本发明产生的高通量3d暗斑示意图；

图中，分光棱镜1、第一二分之一波片2、第一四分之一波片3、横向高通量暗斑生成器件4、第一反射镜5、第二反射镜6、第二二分之一波片7、第二四分之一波片8、纵向高通量暗斑生成器件9、合束棱镜10、微透镜阵列11、第一透镜12和第二透镜13。

具体实施方式

本发明生成高通量3d暗斑的器件包括横向高通量暗斑生成器件和纵向高通量暗斑生成器件，均为两侧表面分别増镀遮光层和增透膜的透明基底；透明基底为玻璃或塑料；增透膜用于保证器件透过率；特别地，如果对透射率要求不高，增透膜可以省去。两器件均采用高精度刻蚀技术刻蚀透明基底表面的遮光层，刻蚀位置形成阵列，两器件的刻蚀位置相同。

如图1所示，根据选用的激光波长，在横向高通量暗斑生成器件的透明基底上刻写0-2π涡旋相位板，刻写位置与其遮光层刻蚀位置相同，得到0-2π涡旋相位阵列。当光束阵列通过横向高通量暗斑生成器件时，每一束光被0-2π涡旋相位板调制，聚焦后生成如图2所示横向空心暗斑。本实施例生成10×10的横向暗斑阵列，该横向高通量暗斑生成器件上包含10×10个0-2π涡旋相位板，但数量和排布方案不限于此。

如图3所示，根据选用的激光波长，在纵向高通量暗斑生成器件的透明基底上刻写0-π相位板，刻写位置与其遮光层刻蚀位置相同，得到0-π相位阵列，0-π相位阵列的排布决定了最终纵向暗斑阵列的排布。当光束阵列通过纵向高通量暗斑生成器件时，每一束光被0-π相位板调制，聚焦后生成如图4所示的纵向空心暗斑。本实施例生成10×10的横向暗斑阵列，该纵向高通量暗斑生成器件上包含10×10个0-π相位板，但数量和排布方案不限于此。

两阵列的排布决定了最终暗斑阵列的排布；两阵列中每一个相位掩膜的中心与入射其上的光束中心同轴，相位延迟与入射光波长匹配。

如图5所示，一种基于上述两种器件的高通量3d暗斑生成装置，包括分光棱镜1、第一二分之一波片2、第一四分之一波片3、横向高通量暗斑生成器件4、第一反射镜5、第二反射镜6、第二二分之一波片7、第二四分之一波片8、纵向高通量暗斑生成器件9、合束棱镜10、微透镜阵列11、第一透镜12和第二透镜13。其中，分光棱镜1将入射光分成两路，一路用于生成横向高通量暗斑阵列，另一路用于生成纵向高通量暗斑阵列；第一二分之一波片2、第一四分之一波片3、横向高通量暗斑生成器件4、第一反射镜5依次设置于横向暗斑阵列产生光路上；第二反射镜6、第二二分之一波片7、第二四分之一波片8、纵向高通量暗斑生成器件9、合束棱镜10依次设置于纵向高通量暗斑产生光路上；合束棱镜10将两路光合束；微透镜阵列11、第一透镜12、第二透镜13依次置于合束后的光路上。入射光为方形光束阵列，如正方形或矩形阵列；可利用光束阵列聚焦在样品上的高通量3d暗斑实现双光束激光直写加工或实现超分辨成像；为了使投射到样品上的光斑光强分布更均匀，通过器件的光束和聚焦前的光束都应转化为圆偏光。

具体地，线偏光平行光束阵列通过分光棱镜1分为两路，一路经过第一二分之一波片1和第一四分之一波片3后被调制为圆偏光；之后再经过横向高通量暗斑生成器件4，器件中的0-2π涡旋相位掩膜分布与激光束阵列中光束一一对应，激光束阵列中的每一束光被0-2π涡旋相位调制；被调制后的光束阵列通过第一反射镜5反射到合束棱镜10上；经过分束棱镜1分束后的另一路光被第二反射镜6反射，依次通过第二二分之一波片7和第二四分之一波片8调制为圆偏光；之后再通过纵向高通量暗斑生成器件9，器件中的0-π相位掩膜分布与激光束阵列中光束一一对应，激光束阵列中的每一束光被0-π相位调制；被调制后的光入射到合束棱镜10上，与第一反射镜5上的反射光合束；合束后的光通过微透镜阵列11，在微透镜阵列11的焦面处形成高通量3d暗斑阵列，再被第一透镜12和第二透镜13组成的4f系统成像到第二透镜13的焦面处。以10×10光束为例，生成的高通量3d暗斑阵列如图6所示。

以上所述仅为本发明的基本的方法举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。