CN110568731A - 一种超衍射极限焦斑阵列生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超衍射极限焦斑阵列生成装置。该装置使激发光束或交联光束经过相位调制，从而在样品面产生实心焦斑阵列；使淬灭光束或去交联光束经过相位调制，从而在样品面产生空心焦斑阵列，并使这两个焦斑阵列对准，最终在样品面上产生超衍射极限的焦斑阵列。上述过程由于是通过相位调制的方式产生焦斑阵列，所以生成的焦斑数量可以为任意多个，从而实现高通量的超分辨成像与激光直写，与已有的方法相比，本发明所公开的***可以进行高速并行超分辨成像与激光直写。

Description

一种超衍射极限焦斑阵列生成装置

技术领域

本发明涉及光学工程领域，具体是涉及一种超衍射极限焦斑阵列生成装置。

背景技术

对于光学曝光或者说光刻技术而言，其可以实现极高精度的纳米刻蚀，借助极紫外光源最高可实现5nm的加工精度，光刻技术较高的产率也使其可以满足工业化生产的要求，并已经广泛应用到半导体器件和集成电路产业之中。但是，目前的光刻技术必须依赖光学掩模板和真空的制造环境，且完整的纳米制造光刻机的成本与复杂程度极高。电子束曝光技术，借助波长极短的电子波，可以在无需掩模板的情况下实现纳米量级的加工精度，在光学掩模板和纳米器件的制备等方面发挥了不可替代的作用。但是，电子束曝光装置价格昂贵且加工速度慢，无法实现大面积制备和工业应用。同时，电子束同样必须在真空中加工，对于生物样品等很多样品就无法应用。对于激光直写特别是飞秒激光直写技术而言，它相对于传统的光刻技术有一些显著的优点。首先，由于飞秒激光直写多采用近红外波段的波长，激光束可以低损耗的聚焦到材料内部进行扫描直写，故而具有本征的真三维加工制造能力，且适用于多种材料的加工制造。而且，作为激光直写技术，其不需要掩模板和真空加工环境，因此具有良好的工业化应用前景。但是，由于激光直写技术通过聚焦光斑对样品材料进行作用，聚焦斑受到光学衍射极限限制，其最小尺度约为光波长的一半，因而加工精度受限。而且，单光束激光直写***加工速度较慢，达不到实际生产和应用的要求。

受激辐射淬灭(STED)显微技术主要是通过使用一个空心的淬灭焦斑覆盖在衍射受限的激发焦斑上，使得焦斑外圈被激发的荧光分子在还没有发出荧光时以受激辐射的方式瞬间回到基态，而焦斑中心被激发的荧光分子正常发出的荧光被作为有效信号接收，从而获得远超衍射极限的分辨率。但是受激辐射淬灭显微技术是以对样品的单点扫描的方式成像，因此其成像的时间分辨率很低，这对大视场范围的成像产生了很大的限制，同时其淬灭光的光强较高，易造成样品的光漂白。

对于激光直写***，直接决定其加工精度的就是聚焦光斑的尺寸，尺寸越小，加工精度越高。直接决定其加工速度的就是光束的数量，目前虽有较高精度的双光束激光直写，但是其加工速度仍然较慢。同时，对于超分辨显微成像，焦斑数量也直接决定了其成像速度。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，通过使用受激辐射光淬灭技术，同时在生成焦斑阵列的情况下，保证焦斑阵列单个焦斑的尺寸小于衍射极限。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，包括：

第一光源模块、第一反射镜、第一光调制模块、第一透镜、第二透镜、第二反射镜、第二光源模块、第三反射镜、第二光调制模块、第三透镜、第四透镜、第一二色镜、第一振镜、第二振镜、扫描透镜、第五透镜和第二二色镜；

第一光源模块发出准直左旋圆偏振光，经第一反射镜入射到第一光调制模块，经其相位调制后，再经第一透镜、第二透镜、第二反射镜入射到第一二色镜表面，经第一二色镜表面反射，再经第一振镜、第二振镜、扫描透镜、第五透镜聚焦至样品，此光束为第一光束，此光束在样品上形成空心焦斑阵列；

第二光源模块发出准直光，经第三反射镜入射到第二光调制模块，经其相位调制后，再经第三透镜、第四透镜、再经第二二色镜透射，到达第一二色镜，经第一二色镜透射，再经第一振镜、第二振镜、扫描透镜、第五透镜聚焦至样品，此光束为第二光束，此光束在样品上形成实心焦斑阵列；

第一光束的空心焦斑阵列与第二光束的实心焦斑阵列在样品上重合，从而生成超衍射极限焦斑阵列。

进一步地，所述第一光调制模块与扫描透镜的前焦面通过第一透镜和第二透镜保持光学共轭关系。所述第一光调制模块位于第一透镜的前焦面上，扫描透镜的前焦面等效位于第二透镜的后焦面上。所述第一光调制模块、第一透镜、第二透镜和扫描透镜的前焦面构成一个4f***。

进一步地，所述第二光调制模块与扫描透镜的前焦面通过第三透镜和第四透镜保持光学共轭关系。所述第二光调制模块位于第三透镜的前焦面上，扫面透镜的前焦面等效位于第四透镜的后焦面上。所述第二光调制模块、第三透镜、第四透镜和扫描透镜的前焦面构成一个4f***。

进一步地，所述第一光源模块的作用是产生准直左旋圆偏振光，用于抑制荧光分子的发光或对光刻胶的去交联；所述第二光源模块用于激发样品荧光或使光刻胶发生交联反应。

进一步地，所述第一光调制模块对第一光源模块发出的准直左旋圆偏振光进行相位调制的具体方法为：将所需要生成的理想目标空心焦斑阵列作为输入，利用相位反演算法，计算出在第一光调制模块上需要施加的相位分布，再经第一光调制模块加载该相位分布，从而实现对第一光束的调制。

进一步地，所述第二光调制模块对第二光源模块发出的准直光进行相位调制的具体方法为：将所需要生成的理想目标实心焦斑阵列作为输入，利用相位反演算法，计算出在第二光调制模块上需要施加的相位分布，再经第二光调制模块加载该相位分布，从而实现对第二光束的调制。

进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为双胶合消色差凸透镜。

进一步地，所述第一二色镜对第一光束反射，对第二光束和从样品发出的荧光透射；所述第二二色镜对第二光束透射，对从样品发出的荧光反射。

进一步地，该装置还包括第六透镜和光接收模块；所述第二二色镜将从样品发出的荧光反射至第六透镜，经第六透镜聚焦后由光接收模块接收。

一种高通量超衍射极限成像与激光直写复合***，包括超衍射极限焦斑阵列生成装置；所述第一光源模块由第一激光光源、第一偏振器、四分之一波片、第七透镜、第一孔径光阑和第八透镜组成；所述第二光源模块由第二激光光源、第二偏振器、第九透镜、第二孔径光阑和第十透镜组成；所述第五透镜由场镜和显微物镜组成；所述光接收模块采用单光子探测器；所有光学元件位于同轴光路上；

所述第一激光光源发出的光经第一偏振器变为线偏振光，再经四分之一波片变为左旋圆偏振光，经第七透镜、第一孔径光阑和第八透镜准直，再经第一反射镜入射到第一光调制模块，经其相位调制后，再经第一透镜、第二透镜、第二反射镜入射到第一二色镜表面，经第一二色镜表面反射，再经第一振镜、第二振镜、扫描透镜、场镜，再经显微物镜聚焦至样品，此光束为第一光束，此光束在样品上的焦斑为空心焦斑阵列；

所述第二激光光源发出的光经第二偏振器变为线偏振光，再经第九透镜、第二孔径光阑和第十透镜准直，经第三反射镜入射到第二光调制模块，再经第三透镜、第四透镜、再经第二二色镜透射，到达第一二色镜，经第一二色镜透射，再经第一振镜、第二振镜、扫描透镜、场镜、显微物镜聚焦至样品，此光束为第二光束，此光束在样品上的焦斑为实心焦斑阵列；

第一光束的空心焦斑阵列与第二光束的实心焦斑阵列在样品上重合，从而生成超衍射极限焦斑阵列。

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)焦斑数量多，由于采用了相位调制的方法，可以产生任意多个焦斑；

(2)由于相位调制是可控的，所以单个焦斑可调；

(3)由于光源的波长可变，所以既可用于光学成像，也可用于光刻。

附图说明

图1为本发明一种用于生成超衍射极限焦斑阵列的装置光路结构示意图；

图2为应用本发明的实施例1光路结构示意图；

图3为应用本发明所产生的超衍射极限焦斑阵列；

图中，第一光源模块1、第一反射镜2、第一光调制模块3、第一透镜4、第二透镜5、第二反射镜6、第二光源模块7、第三反射镜8、第二光调制模块9、第三透镜10、第四透镜11、第一二色镜12、第一振镜13、第二振镜14、扫描透镜15、第五透镜16、样品17、第二二色镜18、第六透镜19、光接收模块20、第一激光光源21、第一偏振器22、四分之一波片23、第七透镜24、第一孔径光阑25、第八透镜26、第二激光光源27、第二偏振器28、第九透镜29、第二孔径光阑30、第十透镜31、场镜32、显微物镜33、载物台34。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示，本发明提供的一种用于生成超衍射极限焦斑阵列的装置，包括：第一光源模块1、第一反射镜2、第一光调制模块3、第一透镜4、第二透镜5、第二反射镜6、第二光源模块7、第三反射镜8、第二光调制模块9、第三透镜10、第四透镜11、第一二色镜12、第一振镜13、第二振镜14、扫描透镜15、第五透镜16、样品17、第二二色镜18、第六透镜19、光接收模块20。

本发明中，第一光源模块1发出的光为准直左旋圆偏振光，经第一反射镜2入射到第一光调制模块3，经其施加特定的相位调制后，再经第一透镜4、第二透镜5、第二反射镜6入射到第一二色镜12表面，经第一二色镜12表面反射，再经第一振镜13、第二振镜14、扫描透镜15、第五透镜16聚焦至样品17，此光束为第一光束，此光束在样品17上的焦斑为空心焦斑阵列。

第二光源模块7发出的准直光对偏振特性无要求，经第三反射镜8入射到第二光调制模块9，再经第三透镜10、第四透镜11、再经第二二色镜18透射，到达第一二色镜12，经第一二色镜12透射，再经第一振镜13、第二振镜14、扫描透镜15、第五透镜16聚焦至样品17，此光束为第二光束，此光束在样品17上的焦斑为实心焦斑阵列。第一光束的空心焦斑阵列与第二光束的实心焦斑阵列在样品上重合，从而生成超衍射极限焦斑阵列。

第一光调制模块3与扫描透镜15的前焦面通过第一透镜4和第二透镜5保持光学共轭关系。第一光调制模块3位于第一透镜4的前焦面上，扫描透镜15的前焦面等效位于第二透镜5的后焦面上。第一光调制模块3、第一透镜4、第二透镜5和扫描透镜15的前焦面构成一个4f***。

第二光调制模块9与扫描透镜15的前焦面通过第三透镜10和第四透镜11保持光学共轭关系。第二光调制模块9位于第三透镜10的前焦面上，扫面透镜15的前焦面等效位于第四透镜11的后焦面上。第二光调制模块9、第三透镜10、第四透镜11和扫描透镜15的前焦面构成一个4f***。

本发明中，所述第一光源模块1的作用是产生准直左旋圆偏振光，用于抑制荧光分子的发光或对光刻胶的去交联。有多种技术方案选择，比如可以采用激光器、起偏器与四分之一波片的组合。

本发明中，所述第二光源模块7发出的准直光对偏振特性无要求，用于激发样品荧光或使光刻胶发生交联反应，比如可以采用激光器和起偏器的组合。

本发明中，所述第一光调制模块3的作用是对第一光源模块1发出的准直左旋圆偏振光进行相位调制，其调制方法为，将所需要生成的理想目标空心焦斑阵列作为输入，利用相位反演算法，计算出在第一光调制模块3上需要施加的相位分布，再经第一光调制模块3加载该相位分布，从而实现对第一光束的调制。此光调制模块有多种技术方案选择，比如可以采用空间光调制器。

本发明中，所述第二光调制模块9的作用是对第二光源模块7发出的准直光进行相位调制，其调制方法为，将所需要生成的理想目标实心焦斑阵列作为输入，利用相位反演算法，计算出在第二光调制模块9上需要施加的相位分布，再经第二光调制模块9加载该相位分布，从而实现对第二光束的调制。有多种技术方案选择，比如可以采用空间光调制器。

本发明中，所述第一透镜4、第二透镜5、第三透镜10和第四透镜11均为双胶合消色差凸透镜。第一透镜和第三透镜的优选焦距为140mm，第二透镜和第四透镜的优选焦距为160mm。

本发明中，所述第一二色镜12对第一光束反射，对第二光束和从样品发出的荧光透射。

本发明中，所述第一振镜13、第二振镜14、扫描透镜15的作用是对样品进行扫描成像或者扫描激光直写。

本发明中，所述第五透镜16，其作用是对第一光束和第二光束聚焦，有多种技术方案选择，如单透镜或透镜组。

本发明中，所述第二二色镜18对第二光束透射，对从样品发出的荧光反射。所述第二二色镜18将从样品发出的荧光反射至第六透镜19，经第六透镜19聚焦后由光接收模块20接收。

本发明中，所述光接收模块20的作用是对荧光信号进行探测并转化为图像，有多种技术方案选择，如光电倍增管、雪崩式光电二极管等，优选为雪崩式光电二极管。

本发明中，所述样品17为荧光标记的生物材料或者光刻胶。

本发明具有高度通用性，可以应用于任意基于受激辐射光淬灭架构的成像与激光直写***。如受激辐射光淬灭显微成像***、超衍射极限激光直写***等。下面就基于本发明的受激辐射光淬灭架构的高通量超衍射极限成像与激光直写复合***作为实施例进行说明。

实施例1

如图2所示为基于本发明的高通量超衍射极限成像与激光直写复合***示意图。

其中，第一激光光源21、第一偏振器22、四分之一波片23、第七透镜24、第一孔径光阑25和第八透镜26构成第一光源模块1；

第二激光光源27、第二偏振器28、第九透镜29、第二孔径光阑30和第十透镜31构成第二光源模块7；

场镜32和显微物镜33构成第五透镜16；

样品17放置在载物台34上；

光接收模块20采用单光子探测器。

所有光学元件位于同轴光路上。

第一激光光源21发出的光经第一偏振器22变为线偏振光，再经四分之一波片23变为左旋圆偏振光，经第七透镜24、第一孔径光阑25和第八透镜26准直，再经第一反射镜2入射到第一光调制模块3，经其施加特定的相位调制后，再经第一透镜4、第二透镜5、第二反射镜6入射到第一二色镜12表面，经第一二色镜12表面反射，再经第一振镜13、第二振镜14、扫描透镜15、场镜32，再经显微物镜33聚焦至样品17，此光束为第一光束，此光束在样品17上的焦斑为空心焦斑阵列。

第二激光光源27发出的光对偏振特性无要求，经第二偏振器28变为线偏振光，再经第九透镜29、第二孔径光阑30和第十透镜31准直，经第三反射镜8入射到第二光调制模块9，再经第三透镜10、第四透镜11、再经第二二色镜18透射，到达第一二色镜12，经第一二色镜12透射，再经第一振镜13、第二振镜14、扫描透镜15、场镜32、显微物镜33聚焦至样品17，此光束为第二光束，此光束在样品17上的焦斑为实心焦斑阵列。第一光束的空心焦斑阵列与第二光束的实心焦斑阵列在样品17上重合，从而生成超衍射极限焦斑阵列。

本发明中，所述第一偏振器22和四分之一波片23的作用是使第一激光光源21发出的光变为左旋圆偏振光。

本发明中，所述场镜32和显微物镜33的作用是对第一光束和第二光束聚焦，同时收集样品发出的荧光信号。

本发明中，所述第六透镜19的作用使对荧光进行聚焦，从而被单光子探测器接收。单光子探测器的作用是对荧光信号进行探测并转化为图像。

图3中，从左至右依次为应用本装置生成的空心焦斑阵列、实心焦斑阵列和超衍射极限焦斑阵列。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，其特征在于，包括：

第一光源模块、第一反射镜、第一光调制模块、第一透镜、第二透镜、第二反射镜、第二光源模块、第三反射镜、第二光调制模块、第三透镜、第四透镜、第一二色镜、第一振镜、第二振镜、扫描透镜、第五透镜和第二二色镜；

第一光源模块发出准直左旋圆偏振光，经第一反射镜入射到第一光调制模块，经其相位调制后，再经第一透镜、第二透镜、第二反射镜入射到第一二色镜表面，经第一二色镜表面反射，再经第一振镜、第二振镜、扫描透镜、第五透镜聚焦至样品，此光束为第一光束，此光束在样品上形成空心焦斑阵列；

第二光源模块发出准直光，经第三反射镜入射到第二光调制模块，经其相位调制后，再经第三透镜、第四透镜、再经第二二色镜透射，到达第一二色镜，经第一二色镜透射，再经第一振镜、第二振镜、扫描透镜、第五透镜聚焦至样品，此光束为第二光束，此光束在样品上形成实心焦斑阵列；

第一光束的空心焦斑阵列与第二光束的实心焦斑阵列在样品上重合，从而生成超衍射极限焦斑阵列。

2.根据权利要求1所述的一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，其特征在于，所述第一光调制模块与扫描透镜的前焦面通过第一透镜和第二透镜保持光学共轭关系。所述第一光调制模块位于第一透镜的前焦面上，扫描透镜的前焦面等效位于第二透镜的后焦面上。所述第一光调制模块、第一透镜、第二透镜和扫描透镜的前焦面构成一个4f***。

3.根据权利要求1所述的一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，其特征在于，所述第二光调制模块与扫描透镜的前焦面通过第三透镜和第四透镜保持光学共轭关系。所述第二光调制模块位于第三透镜的前焦面上，扫面透镜的前焦面等效位于第四透镜的后焦面上。所述第二光调制模块、第三透镜、第四透镜和扫描透镜的前焦面构成一个4f***。

4.根据权利要求1所述的一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，其特征在于，所述第一光源模块的作用是产生准直左旋圆偏振光，用于抑制荧光分子的发光或对光刻胶的去交联；所述第二光源模块用于激发样品荧光或使光刻胶发生交联反应。

5.根据权利要求1所述的一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，其特征在于，所述第一光调制模块对第一光源模块发出的准直左旋圆偏振光进行相位调制的具体方法为：将所需要生成的理想目标空心焦斑阵列作为输入，利用相位反演算法，计算出在第一光调制模块上需要施加的相位分布，再经第一光调制模块加载该相位分布，从而实现对第一光束的调制。

6.根据权利要求1所述的一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，其特征在于，所述第二光调制模块对第二光源模块发出的准直光进行相位调制的具体方法为：将所需要生成的理想目标实心焦斑阵列作为输入，利用相位反演算法，计算出在第二光调制模块上需要施加的相位分布，再经第二光调制模块加载该相位分布，从而实现对第二光束的调制。

7.根据权利要求1所述的一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为双胶合消色差凸透镜。

8.根据权利要求1所述的一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，其特征在于，所述第一二色镜对第一光束反射，对第二光束和从样品发出的荧光透射；所述第二二色镜对第二光束透射，对从样品发出的荧光反射。

9.根据权利要求1所述的一种超衍射极限焦斑阵列生成装置，其特征在于，该装置还包括第六透镜和光接收模块；所述第二二色镜将从样品发出的荧光反射至第六透镜，经第六透镜聚焦后由光接收模块接收。

10.一种高通量超衍射极限成像与激光直写复合***，其特征在于，包括权利要求所述的超衍射极限焦斑阵列生成装置；

所述第一光源模块由第一激光光源、第一偏振器、四分之一波片、第七透镜、第一孔径光阑和第八透镜组成；所述第二光源模块由第二激光光源、第二偏振器、第九透镜、第二孔径光阑和第十透镜组成；所述第五透镜由场镜和显微物镜组成；所述光接收模块采用单光子探测器；所有光学元件位于同轴光路上；

所述第一激光光源发出的光经第一偏振器变为线偏振光，再经四分之一波片变为左旋圆偏振光，经第七透镜、第一孔径光阑和第八透镜准直，再经第一反射镜入射到第一光调制模块，经其相位调制后，再经第一透镜、第二透镜、第二反射镜入射到第一二色镜表面，经第一二色镜表面反射，再经第一振镜、第二振镜、扫描透镜、场镜，再经显微物镜聚焦至样品，此光束为第一光束，此光束在样品上的焦斑为空心焦斑阵列；

所述第二激光光源发出的光经第二偏振器变为线偏振光，再经第九透镜、第二孔径光阑和第十透镜准直，经第三反射镜入射到第二光调制模块，再经第三透镜、第四透镜、再经第二二色镜透射，到达第一二色镜，经第一二色镜透射，再经第一振镜、第二振镜、扫描透镜、场镜、显微物镜聚焦至样品，此光束为第二光束，此光束在样品上的焦斑为实心焦斑阵列；

第一光束的空心焦斑阵列与第二光束的实心焦斑阵列在样品上重合，从而生成超衍射极限焦斑阵列。