高数值孔径投影光刻物镜的光学设计

针对45nm节点投影光刻物镜的应用,开展了工作波长为193nm的深紫外浸没式高数值孔径（NA）投影光刻物镜的研究和研制。设计了数值孔径（NA）为1.30的离轴三反射镜投影光刻物镜和NA为1.35的同轴两反射镜投影光刻物镜,并对两个设计方案的优劣进行对比分析,选择了同轴式结构作为最终的设计方案。分析了系统在不同NA情况下可变光阑与其远心度之间的关系,提出了用双可变曲面光阑的设计方案来优化系统的远心度。实验表明,应用本文设计方案,光刻物镜的波像差小于1nm,畸变小于1nm;新型的可变光阑使系统NA在0.85～1.35变化时的最大远心度由5.83～17.57mrad降低至0.26～3.21mrad。本文提出的设计方案为45nm节点高数值孔径投影光刻物镜的研制提供了有益的理论依据和指导。

大数值孔径物镜的波像差测量及其特殊问题

设计了基于振幅型棋盘光栅的二维剪切干涉仪,用于测量大数值孔径(NA)物镜的波像差。研究了棋盘光栅剪切干涉仪的基本原理,分析了大数值孔径物镜波像差测量时涉及的几个特殊问题。首先,根据棋盘光栅的远场衍射函数分析了棋盘光栅的衍射效率和衍射级分布,给出了剪切干涉图数据的处理方法。接着,根据球面光瞳坐标与平面探测器坐标的投影关系,分析了光瞳坐标畸变的影响;采用几何光线追迹方法,分析了光栅方程非线性对系统误差的影响。最后,推导了物镜光瞳边缘的相对照度与数值孔径的关系。试验结果表明:采用相同光瞳坐标,NA为0.6的显微物镜的波像差测量重复性(3σ)可达到3.7 mλ。对大数值孔径物镜测量过程中涉及的特殊问题进行了探讨,结果提示:测量大数值孔径物镜的波像差时,需要考虑光瞳坐标畸变、光栅方程引入的系统误差、光瞳边缘照度衰减的影响等。

宽光谱长工作距弱荧光信号检测显微物镜设计

针对癌细胞突变基因诱导荧光信号弱、光谱覆盖范围宽、现有显微镜不能检测等局限,本文设计了光谱波段为450~800nm、数值孔径为0.95的荧光显微物镜。物镜采用++-结构,因宽光谱、大数值孔径像差校正难度大、透镜片数多、装调困难,前组设置成敏感组分,承载物镜装调的调校功能,承担90%以上光焦度;中间组为弱光焦度组分,用于校正大数值孔径下的二级光谱,显著降低了二级光谱校正元件的加工难度;后组为负光焦度组分,用于平像场和增大物镜的工作距离。物镜的设计参数为:总长58mm、工作距0.21mm、视场0.625mm、倍率40×、数值孔径0.95,结果表明:其像质接近衍射极限,畸变小于0.2%,满足多种癌细胞突变基因的弱信号生物监测设计要求。

双环角向偏振涡旋光束的大数值孔径透镜聚焦

基于矢量德拜理论,研究了双环角向偏振涡旋光束经大数值孔径透镜的聚焦,且在聚焦场中考虑存在两种不同介质。研究表明当涡旋光束的拓扑电荷数为1,且当透镜孔径半径与入射双环角向偏振涡旋光束的束腰半径之比为1.5时,聚焦光束可得到一个尺寸只有零点几个波长的局域空心光束。局域空心光斑的横向半径仅为0.38λ,而空心长度为2.37λ。此外还研究了透镜的数值孔径以及光束的入射拦截比对不同介质引起聚焦光束焦移的影响。

针尖增强拉曼系统高数值孔径物镜对焦方法研究

为提高针尖增强拉曼系统对焦准确性和效率,提出通过分析CCD相机拍摄的光斑图像的像素值实现自动对焦的方法。首先快速粗调焦缩小调焦范围,然后再慢速细调焦提高调焦精度。实验表明:与Tenengrad评价函数相比,方差评价函数更适用于针尖增强拉曼光谱测量系统自动对焦,聚焦到样品表面时对焦结果的无偏估计标准差<0.25μm,具有较高的重复性和鲁棒性;快速粗调焦可提高调焦效率,避免陷入局部最优解;慢速细调焦评价函数曲线在焦点附近呈现“M”形,可通过二次拟合提高调焦精度。

单光束光镊实验与理论分析

给出了一种实现稳定捕获微小粒子及其显微成像的单光束光镊实验系统,基于此系统研究了单个二氧化硅微球的动态捕获过程.实验中发现要稳定捕获粒子的同时还能够实时观察粒子的运动变化,必须保证物镜的聚焦平面与CCD的成像平面重合.其次,聚焦物镜的数值孔径与激光功率的大小,对实现粒子的稳定捕获具有重要的影响.实验结果与理论分析表明物镜的数值孔径越大、激光功率越大,粒子的捕获力越大,可实现微粒的稳定捕获.此研究有望在大学物理教学及生物的微操控领域具有一定的参考价值.

径向偏振双曲正弦高斯光束深聚焦产生光链的研究

基于Richards-Wolf的矢量衍射积分公式,研究了径向偏振双曲正弦高斯光束经过衍射光学元件(DOE)和高数值孔径(NA)透镜组成的光学系统后的聚焦特性,分析了相关参量对深聚焦特性的影响。研究表明,入射光束经过此光学系统后,在焦点附近产生沿光轴方向的三维多点光俘获结构——光链;改变相关参数,在焦平面附近产生一种针形光束—光渠。这些结果对于径向偏振双曲余弦高斯光束在粒子操控等方面的应用有着重要意义。

异常空心光束通过大数值孔径光阑透镜后焦区电场和磁场的相位奇异特性

运用矢量德拜衍射公式研究了线偏振异常空心高斯光束在大数值孔径光阑透镜后焦区的相位奇异特性。数值分析结果表明，焦区的电场和磁场分量相位奇异特性与截断参数和数值孔径有关。随着截断参数的逐渐变化，焦区的电场和磁场分量的相位奇点会有所移动、分裂和湮灭，且焦平面上的鞍点对和相位奇点对都会随着截断参数的增大而有所靠近，产生亚波长结构。伴随相位奇点，有鞍点的出现且和相位奇点有相似的变化规律，但鞍点对比相应相位奇点对先靠拢而消失。对于相同的截断参数，电场和磁场分量所对应的相位奇点分裂和湮灭所需的截断参数的临界值不同。用计算例对结果做了说明并做了比较。