[发明专利]用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片及其加工方法

说明书

技术领域：

本发明属于飞秒激光微纳加工领域，涉及一种通过超衍射相位调制实现聚焦光斑三维压 缩的光学器件设计方法及其加工工艺。

背景技术：

据机械工业出版社2006年出版的《工程光学》(第2版)一书第353-355页介绍，由于 衍射现象的普遍存在，普通光学系统中，点物或点光源成像后不再是一个理想点，而是在其 像面附近拓展成一定的空间光场分布，即成像系统对点物在它像面上所成的像是夫琅和费衍 射图样，该衍射图样被称为艾里斑。由瑞利判据知，艾里斑的大小能够反映光学系统的分辨 率，艾里光斑半径与光波波长成正比，与物镜数值孔径成反比。但在实际使用中，减小光波 波长受到发光材料和激光技术的限制，数值孔径的增大则受到光学材料和光学镜头设计的制 约，减小衍射光斑尺寸是非常有限的。

据《飞秒激光双光子三维微细加工技术的研究》(中国科学技术大学博士学位论文，2004 年)介绍，在飞秒激光加工系统中，基于双光子吸收的高分子材料的光固化加工中，会聚光 斑的光强分布为椭球形，且光斑纵向(光轴)尺寸比横向(焦平面)尺寸大约3倍，不仅使 得沿光轴方向的加工分辨率相对较低，同时，也难以有效地应用于诸如双光子三维存储或者 高度方向上结构复杂物体的加工。

据美国“Optical Society of America”2004年出版的《APPLIED OPTICS》(Vol.43，No.22  August 2004/p4233-4327)介绍，Colin J.R.Sheppard等人对利用在相位型和振幅型平板滤波 器进行了理论分析，给出了在横向或纵向克服衍射极限的初步结论，但是未给出其实际应用 的方法。

据美国“Optical Society of America”2003年出版的《OPTICS LETTERS》(Vol.28，No.8 /April，2003-p607-609)设计了一系列的环形二元相位型光瞳滤波器，解析地推导出了表征 滤波器的参数，并提出了一种超衍射连续相位板，以期其超衍射技术的高分辨率性质能在多 方面应用，但是，其仅是设计分析计算，未给出设计结果和制造等应用。

据美国“Optical Society of America”2004年出版的《OPTICS LETTERS》(Vol.29，No.23 /December，2004-p2746-2748)介绍，周常河等人设计了一种在横向实现超分辨的相位型滤 波器，获得了0.8的横向压缩比应用在单层高密度光数据存储中，但是，其是在横向实现超 衍射，未能实现三维的超衍射分辨。

据美国“Optical Society of America”2005年出版的《OPTICS EXPRESS》(Vol.13，No.16/ August 2005/p6168-6174)介绍，Gibert Boyer等人通过在双光子扫描显微镜的照明光路里插 入一个三环的振幅型滤波器获得了准球形的焦斑，在三维成像时获得三个方向相同的成像质 量，但是，其幅值调制在需要较大功率的激光微纳加工中难以应用。

据美国“Optical Society of America”2003年出版的《OPTICS LETTERS》(Vol.28，No.1 /January 1，2003/-p55-57)和2005年出版的《OPTICS EXPRESS》(Vol.13，No.19/September  2005/p7288-7297)介绍，利用在聚焦物镜前设置一个矩形孔隙，并通过对矩形孔尺度的调整 来实现对聚焦光斑的三维空间调制，但是其中的幅值调制将严重降低出射光斑的功能，在需 要较大功率的飞秒激光加工中难以应用。

据中国2007年出版的《中国科学技术大学学报》(Vol.37，No.7，2007，p748-752)介绍， 通过优化设计从理论上得到了二元相位型超衍射光学调制元件，通过在光学调制元件的厚度 方向的变化来实现超衍射，但是，其在厚度方向的数纳米量级的变化，在现阶段的制造和测 量评价等存在困难，故难以制造来在飞秒激光加工系统中来实现超分辨率的提高。

发明内容

本发明提出一种光斑三维压缩超衍射相位调制片及其加工方法，以在不降低平均光强下， 改善光斑形状，提高飞秒激光加工系统的加工分辨率。

本发明的技术方案为：

一种用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片，包括有调制片，其特征在于：其结构为下 列二者之一：