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螺旋相位板在STED显微镜和激光精密加工中的应用

作者: 时间:2021-05-27

相位片是一种衍射光学元件,它将预先设计好的相位分布叠加在输入激光束上。这种相位分布可以是二进制的,即在相位板的某些区域之间产生半波延迟,也可以是连续的,并达到全波延迟。此相位分布将远场(即透镜焦点)处的激光强度分布转换为不同的分布。在相位是周期性的情况下,例如在相位光栅的情况下,强度变为具有受控分离角的多个衍射阶,这就是我们常所说的衍射分束器或光栅。在相位不是周期性的情况下,根据相位板叠加的相位分布,会出现各种光束整形效果。

在利用相位板对光束进行整形时,最有用的功能之一是模式转换。二元相位板,如我们的模式转换器,可以创建具有不同强度形状的各种分析模式。这些是不同阶数的Hermite-Laguerre模,相当于TEM01TEM11及更高阶。

涡旋模式可以由称作螺旋相位板(spiral phase plates)或涡旋相位板(vortex phase plates)的特殊相位板产生。这些是多级相位元件,其相位类似于圆形阶梯,产生具有一定拓扑电荷的涡旋模式。对于每一个拓扑电荷,模式在焦点处产生一个不同的环形光斑,中间有一个洞光强降到零。


螺旋相位片应用案例-STED显微镜

受激发射损耗(STED)显微术是一种在显微术中实现超分辨率的技术,它能够分辨小于光学系统衍射极限的亚微米细节。

为了绕过光学显微镜的衍射极限(这是传统光学显微镜分辨率的主要限制),它通过环形(甜甜圈)照明模式照亮荧光团来产生超分辨率图像,从而耗尽甜甜圈外部的荧光,使样品焦点处的照明面积最小化,并提高给定系统的可实现分辨率。

通过使用荧光团的非线性响应,STED迫使甜甜圈轮廓处的激发荧光团以更长的波长发射,然后被光学过滤掉。只剩下来自小的亚衍射极限区域的荧光,从而实现超分辨率。

 

STED显微镜的工作原理

典型的STED系统包括两个独立的光通道,一个用于长波(红色)损耗激光器,另一个用于短波(绿色)激发激光器。两个通道通过二向色镜组合到同一条光路中,然后由物镜聚焦在样品上。样品反射的荧光进入检测器。如图所示。



激发通道被物镜聚焦,而损耗通道在被物镜聚焦之前通过涡旋位相板(也称为涡旋透镜(vortex lenses))传播。涡旋相位板在入射的高斯光束上增加一个螺旋波前,以便在物镜的焦平面上将其转换成一个环形光束。在焦平面产生的环形光束与Gauss-Laguerre 01激光模式具有相同的光学特性。

利用单个螺旋相位片可以很容易地产生STED系统中的涡旋光束,即损耗激光。

holoor螺旋相位片作为一种衍射光学元件,其加工方式主要包含几个重复步骤,包括光刻胶晶圆涂层,然后直接UV光刻,直接蚀刻到熔融石英衬底上,并重复在毫米级厚度的光学窗片表面生成二元图案微结构。为了获得最佳的光学效率,通常建议应用多达4个光刻步骤,形成16层微结构。

由于这种生产工艺提供了完美的角度精度与极低的制造公差。它们扁平、薄,易于集成到任何光路中。除上述优点外,熔融石英还具有优异的激光损伤阈值、表面偏差、显微粗糙度和机械性能。

STED显微镜是一种测量亚微米结构的技术,要求系统具有很高的精度和准确度,否则会严重影响系统的整体性能。由于具有上述所有优点,以及Holo/Or的螺旋相位片对偏振不敏感,不需要旋转对准,因此它们是STED系统的完美解决方案。

螺旋相位片应用案例-精密激光加工

螺旋相位片相比其他光束整形方法的优点:

-旋涡光束具有自修复特性,因此它对通光孔径不敏感,是类似于高斯光束的。而对于光束整形器,情况并非如此,通常需要有效通光孔径为2.5倍入射光斑。虽然能量损失会对光斑均匀性产生一些影响,但是远低于光束整形器。这就意味着客户可以使用更大的输入光束和更高的NA

-螺旋相位片适用于所有输入光束尺寸——生成的环形光斑以与高斯光束相似的方式按输入光束大小缩放,不需要精确输入光束直径。通过改变输入光束尺寸,螺旋相位板可以生成不同的圆环尺寸,当光束直径改变时,圆环线性缩放。

-当用涡旋光束扫描时,不同于高斯光束,扫描线的综合能量分布(即烧蚀的槽能量剖面)是平顶的。即使对于低拓扑电荷(包括m = 1)也是如此,这使得相对较窄的扫描线在整个线轮廓上具有良好的一致性。

-螺旋相位板和任何相位板一样,都是薄而轻的组件,易于集成到光学装置中。Holo/OrVortex的螺旋相位片由单片材料(UV熔融石英或ZnSe)制成,具有高损伤阈值,使其适用于高功率应用,包括使用几千瓦激光器的应用。

螺旋相位片精密激光加工应用:

由于其自修复特性,螺旋相位片产生的光斑分布即使穿过相对狭窄的孔,也往往能保持稳定。这使得这种光束在各种振镜扫描应用中非常有用,而高斯光斑通常会导致扫描线宽度上的强度不均匀。使用螺旋相板有利于以下一些已知应用:

-激光烧蚀去除材料(例如,太阳能电池板背面的钝化)。螺旋相位板用于实现均匀的扫描能量分布,这与holoorM型光束整形器类似。

-激光切割薄片或切割薄半导体晶片。在这种情况下,在横截面上有一个均匀的能量分布,以减少背面的碎屑和损坏。当在一条直线上扫描光斑时,螺旋相位板会产生这种分布。

-激光钻孔。在这种情况下,能量最好消耗在钻孔直径上,而不是浪费在中心。在PCB激光钻孔中使用振镜+扫描仪设置就会出现这种情况。漩涡相位板生成的光斑能量分布在整个束腰保持不变,即使该束腰与不透明材质相交。




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