浅析高数值孔径对STED超分辨显微成像的影响

数值孔径是显微成像和光纤应用领域的重要概念,孔径的大小对传统光学显微镜成像效果具有重要作用。在其他技术参数一定的情况下,数值孔径越大,显微镜成像分辨率越高。因为受到光的衍射作用的限制,所以传统光学显微镜的分辨率不可能无限制增大,最多只能分辨到200 nm。为了突破这一限制,STED超分辨率显微镜被研制并广泛应用,将分辨能力提高到50 nm。数值孔径对STED超分辨率显微镜的影响不能简单套用传统显微镜的相关研究成果,必须从STED超分辨率显微镜本身的性质出发,有针对性地进行分析。该文以高数值孔径对STED超分辨率显微成像的影响为主题,从简要论述STED超分辨率显微镜概况入手,从有利影响和不利影响2个层面进行深入分析,并将该领域的研究从定性分析拓展到定量研究领域,理论上可以达到纳米级甚至更小的程度。

拉盖尔高斯径向偏振光高数值孔径聚焦特性

光波在高数值孔径聚焦下焦点区域光强分布呈现出的特殊性质已经被应用到光学显微成像、微粒控制、光存储等领域中.本文基于矢量Deby衍射理论研究了TM01模拉盖尔高斯径向偏振光经高数值孔径聚焦下焦点区域光强分布.通过调节入瞳半径与光束束腰之比,发现拉盖尔高斯径向偏振光光斑由明亮尺寸小光斑变化成环形中空光斑,并且通过光瞳滤波器可以实现对焦点区域光强和暗斑尺寸的调制,使焦点中心暗斑光强由0变化到1.通过合适的复光瞳滤波器参量选择,在焦区产生了多个三维"光笼",这使得能够更有效地束缚微粒,而且可以一次控制多个微粒,对捕捉折射率低于周围环境的微粒具有重要的应用价值.

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。

高数值孔径光刻中衬底反射率的控制

高数值孔径(N4)光刻中,需要控制衬底反射率以减小薄膜干涉对光刻性能的影响。采用薄膜光学方法研究了高NA光刻中底层抗反膜(BARC)对衬底反射率的控制。针对硅基底对单层和双层BARC进行优化以探索满足高NA光刻要求的BARC材料光学参数容限。结果表明,当NA超过0.8时,单层BARC无法控制衬底反射率而有必要采用双层BARC。横电(TE)比横磁(TM)偏振光的衬底反射率更难以控制。NA越大,单层BARC折射系数的优化值越大。双层BARC中的顶层膜应采用低吸收率材料而底层膜应采用高吸收率材料。本研究可为高NA光刻中的BARC材料研制及衬底反射率控制提供理论依据。

高数值孔径下高斯光束超分辨技术

利用矢量衍射理论,研究了高数值孔径下高斯光束的超分辨特性,对可以实现超分辨的二环和三环相位结构进行了优化求解,分析了环带半径和相位变化对超分辨性能的影响规律,给出了优化方法和优化结果.研究结果表明:当和平面波照明具有相同的旁瓣比时,使用高斯光束照明仍然可以实现光学超分辨;采用二环相位结构时,内环半径的控制比较关键,相位的微小改变对超分辨性能的影响不大,二环相位结构具有加工容差大的优点;三环相位结构在相同旁瓣比的情况下能够达到较大的压缩比和较小的主瓣峰值强度,三环结构的半径和相位的改变对超分辨性能的影响较大,其加工容差要小于二环相位结构;无论二环或三环相位结构,若提高压缩比,必然会引起主瓣峰值强度降低和旁瓣比增大.该研究为高数值孔径下,高斯光束照明时,超分辨光瞳滤波器的优化设计提供了一种新方法.

基于相位复原技术测试高数值孔径光学成像系统

干涉测量的方法已被广泛应用于光学系统的波前测试中。但是由于高数值孔径的标准具加工成本高、风险大,使用干涉测量的方法对高数值孔径光学系统进行测试存在困难。运用相位复原技术对高数值以小孔衍射光束作为高精度测试基准波前进行孔径光学系统波前测试,可以解决上述问题。对不同频率波前形成的点扩散函数模拟,分析了实际测试所需的实验条件。由于缺乏高精度的对比实验条件,引入一种新的误差分析方法,搭建检测平台完成对显微镜光学系统的波前测试。通过验证实验,证明了该测试方法的可靠性。

高数值孔径二次谐波显微术的分子取向探测

基于矢量衍射理论和格林函数法,利用坐标变换分析高数值孔径条件下二次谐波强度随胶原纤维取向的变化规律.研究结果表明,当胶原纤维垂直于z轴时,聚焦光场Ey、Ez分量的增强导致二次谐波相对强度极小值的上升;随着胶原纤维极角的改变,二次谐波强度的整体变化趋势发生变化,同时前向和后向二次谐波之间的强度变化也出现明显差异.

轴对称光束高数值孔径聚焦性质及应用

轴对称光束是一种特殊的矢量偏振光束，其振幅和偏振态在光束横截面上的分布呈现轴对称性，是Maxwell方程组在柱坐标下的特征解。高数值孔径聚焦矢量偏振光束具有一些特殊的矢量聚焦性质，例如会在焦点附近产生很强的纵向光场，并得到超越衍射极限的超小焦斑等。高数值孔径聚焦光场焦点附近会产生位相畸变，称为Gouy位相。对Gouy位相的研究有助于揭示轴对称光聚焦系统焦点附近特性的形成原因．诸如“光泡”、“光链”等。

高数值孔径系统多重初级像差对高斯光束的影响（英文）

为了揭示高数值孔径光学系统在多重初级像差共同作用时受到的影响,基于衍射理论,研究了多重初级像差,特别是彗差、象散和球差对汇聚高斯光束的影响效果.通过数值模拟计算,获得了在彗差、象散和球差共同作用下,汇聚高斯光束在焦平面处光斑的光强分布,发现多重像差对聚焦光斑的影响并非各单像差影响效果的简单叠加.通过对高数值孔径光学系统激光焦斑的实际测量,发现其光强分布特点与数值模拟结果具有高度的一致性.研究结果对于评估与分析实际的光学系统具有一定的指导意义.

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。

用于氟化镓铟高数值孔径光纤的氟磷酸盐和氟锆酸盐包层玻璃

为了得到用于1．3μm光通讯窗口掺镨氟化镓铟（PGICE）高数值孔径光纤，本文报道以ZrF4。－BaF2－LaF3－AlF3－Na（Li）F－PbF2[ZBLAN（Li）Pb]和NaPO3－BaF2－ZnF2－PbF2（FPG）玻璃作为包层材料研究了芯和包层玻璃在物理性质和化学组分上的匹配性差热扫描（DSC）和电镜（SEM）分析表明PGICA/ZBLAN(Li)Pb虽在物理性质上匹配但在化学组分上不匹配．其芯-包展界面生成不稳定相；只有PGICZ/FPG具有良好的物理、化学配合性，可成功地拉制出高数值孔径光纤．

超高数值孔径镜头面临的挑战

近来，关于浸没式光刻的讨论很多，不过它们大多集中在缺陷率和套刻精度上，而很少涉及到浸没式技术怎样使光刻机供应商具备设计与制造超高数值孔径镜头的能力，而这曾被认为是不可能实现的。尽管理论上折射式镜头能够扩展到很高的NA，但是由于受到材料和光刻机尺寸的限制，

超高数值孔径浸没式光刻面临的挑战:偏振效应

浸没式光刻要实现32纳米技术乃至进一步向下延伸,在高折射率液体,光学镜头以及光刻胶等关键技术领域需要不断取得突破性的进展。为了得到更高的分辨率,超高数值孔径浸没式光刻技术势在必行,由此而产生的光学偏振问题会日益突出,现在光刻领域的专家已经开始着手解决这个问题。

高数值孔径宽谱段折反射式物镜设计

针对基因测序、半导体检测、工业显微镜及生命医疗等领域对显微物镜日益增长的技术需求,成像谱段向着宽谱段深紫外(DUV)方向发展,目前非浸液式显微物镜存在数值孔径(NA)低、视场小、宽谱段内色差严重等问题。基于此,提出一款折反射式物镜。所提折反射式物镜具有宽谱段、高数值孔径、消色差等优点,根据折反射式结构的消色差光学特性,镜片只采用一种材料就可以校正色差。系统由12片镜片组成,数值孔径为0.91,成像谱段为深紫外到可见光(275~600 nm),最大视场为0.3 mm,系统全视场全谱段波像差小于0.033λ,消除了二级光谱,成像质量满足使用要求。

基于飞秒激光自调制的高数值孔径微透镜阵列制备

针对硬质材料高数值孔径(NA)微透镜阵列制备难的问题,提出一种基于像差的自调制激光加工方法。该方法将飞秒激光聚焦于石英衬底的下表面,能够实现对激光焦点的纵向拉伸,结合氢氟酸溶液湿法刻蚀实现了具有高数值孔径微透镜的制备。结果表明,利用该技术通过改变单脉冲能量能够对微透镜形貌进行调控,在此基础上进一步优化离焦位置,有效地增大了微透镜的数值孔径,制备出达到理论极限(NAmax=0.46)的高数值孔径石英微透镜。相对于传统的正面加工方法,所提方法方式不仅提升了微透镜的数值孔径,而且无需复杂的光调制系统,对于高性能硬质材料微透镜阵列的制备与实际应用具有重要的意义。

矢量偏振光束的产生及其高数值孔径聚焦性质

利用石英晶体的旋光效应产生矢量偏振光束,石英晶体被分成圆心角相同的12个扇区,每个扇区设计有特定的厚度,依据晶体的旋光性质可知,在平面线偏振光入射的条件下,不同扇区产生了不同的偏振旋转,形成了空间上偏振方向不同的矢量偏振光束。进一步利用二维辛普森数值积分(ZDSC)方法计算了这种光束的高数值孔径聚焦场分布,发现此光束的聚焦性质与轴对称偏振光的极其相似,说明提出的方法可作为产生偏转角可调的轴对称偏振光的一种简单方法,而满足实际的应用需要。

部分相干圆偏振贝塞耳-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦

研究了部分相干圆偏振贝塞耳-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦特性。基于德拜矢量积分理论,分别推导出了部分相干圆偏振涡旋光束经过商数值孔径透镜聚焦以后的光强和偏振度表达式。根据数值模拟的结果,比较了左旋和右旋圆偏振涡旋光束的不同深聚焦特性以及相关参量对涡旋光束深聚焦特性的影响。研究表明,入射光束的相关参数和聚焦透镜的数值孔径大小都会影响光束的聚焦特性。此外,还得出一个重要结论,部分相干圆偏振涡旋光束经高数值孔径透镜聚焦以后.光束本身带有的自旋角动量会转化成轨道角动量,这一研究成果对于利用涡旋光束进行微粒操控等方面应用具有十分重要的意义。

圆柱偏振贝塞耳-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦

利用里查德-沃耳夫(Richards-Wolf)矢量衍射积分模型,推导了圆柱偏振贝塞耳-高斯(CPBG)光束经高数值孔径透镜聚焦的光场表达式,并用数值计算分析了各相关参数的取值变化对焦面及焦点附近光强分布的影响。研究表明,焦面光强大小及光强剖面形状与贝塞耳函数项相关参数β,偏振旋转角0,光束束腰宽度w0和数值孔径角α的取值相关。通过控制各相关参数的取值,在聚焦场中获得了有广泛实际应用的具有涡旋性质的局域空心光束和平顶光束。

高阶矢量光束高数值孔径聚焦特性的研究

本文利用Richards-Wolf矢量衍射积分模型对-2到4阶的贝塞尔型矢量光束经高数值孔径聚焦后焦平面处的光强分布进行了理论仿真和特性研究,并对矢量光束的聚焦场在真空下俘获玻璃小球的梯度力分布进行了仿真.结果表明,聚焦场的形状、尺度及各分量的变化与矢量光束的阶数有密切关系,且具有特定的规律;此外,聚焦场的梯度力分布与矢量光束的阶数也有密切关系,并且具有多种不同形状和尺度的光陷阱.

高数值孔径光刻成像中顶层抗反膜的优化

高数值孔径光学光刻中,成像光分布在较大的入射角范围内,传统顶层抗反膜优化方法只对垂直光来减小光刻胶上表面反射率,难以保证光在整个入射角范围实现反射率最小。提出全入射角范围顶层抗反膜优化方法,即在入射角范围内实现光刻胶-顶层抗反膜-空气(或浸没液体)界面的最小平均反射率,并优化顶层抗反膜参量。结果表明,该方法能减小薄膜干涉引起的成像线宽(CD)变化,有效控制成像摆效应,增大顶层抗反膜透射率,提高横电和横磁偏振光透射率之比,从而提高扫描曝光系统的生产率,进一步改善成像衬比度。