超分辨成像和激光精密加工中的螺旋相位片應用

相位片是一種衍射光學元件，它將預先設計好的相位分布疊加在輸入激光束上。這種相位分布可以是二進制的，即在相位板的某些區(qū)域之間產生半波延遲，也可以是連續(xù)的，并達到全波延遲。此相位分布將遠場（即透鏡焦點）處的激光強度分布轉換為不同的分布。在相位是周期性的情況下，例如在相位光柵的情況下，強度變?yōu)榫哂惺芸胤蛛x角的多個衍射階，這就是我們常所說的衍射分束器或光柵。在相位不是周期性的情況下，根據(jù)相位板疊加的相位分布，會出現(xiàn)各種光束整形效果。

在利用相位板對光束進行整形時，最有用的功能之一是模式轉換。二元相位板，如我們的模式轉換器，可以創(chuàng)建具有不同強度形狀的各種分析模式。這些是不同階數(shù)的Hermite-Laguerre模，相當于TEM01、TEM11及更高階。

渦旋模式可以由稱作螺旋相位板（spiral phase plates）或渦旋相位板（vortex phaseplates）的特殊相位板產生。這些是多級相位元件，其相位類似于圓形階梯，產生具有一定拓撲電荷的渦旋模式。對于每一個拓撲電荷，模式在焦點處產生一個不同的環(huán)形光斑，中間有一個洞光強降到零。

螺旋相位片應用案例-STED顯微鏡

受激發(fā)射損耗（STED）顯微術是一種在顯微術中實現(xiàn)超分辨率的技術，它能夠分辨小于光學系統(tǒng)衍射極限的亞微米細節(jié)。

為了繞過光學顯微鏡的衍射極限（這是傳統(tǒng)光學顯微鏡分辨率的主要限制），它通過環(huán)形（甜甜圈）照明模式照亮熒光團來產生超分辨率圖像，從而耗盡甜甜圈外部的熒光，使樣品焦點處的照明面積最小化，并提高給定系統(tǒng)的可實現(xiàn)分辨率。

通過使用熒光團的非線性響應，STED迫使甜甜圈輪廓處的激發(fā)熒光團以更長的波長發(fā)射，然后被光學過濾掉。只剩下來自小的亞衍射極限區(qū)域的熒光，從而實現(xiàn)超分辨率。

STED顯微鏡的工作原理

典型的STED系統(tǒng)包括兩個獨立的光通道，一個用于長波（紅色）損耗激光器，另一個用于短波（綠色）激發(fā)激光器。兩個通道通過二向色鏡組合到同一條光路中，然后由物鏡聚焦在樣品上。樣品反射的熒光進入檢測器。如圖所示。

激發(fā)通道被物鏡聚焦，而損耗通道在被物鏡聚焦之前通過渦旋位相板（也稱為渦旋透鏡（vortex lenses））傳播。渦旋相位板在入射的高斯光束上增加一個螺旋波前，以便在物鏡的焦平面上將其轉換成一個環(huán)形光束。在焦平面產生的環(huán)形光束與Gauss-Laguerre 01激光模式具有相同的光學特性。

利用單個螺旋相位片可以很容易地產生STED系統(tǒng)中的渦旋光束，即損耗激光。

holoor螺旋相位片作為一種衍射光學元件，其加工方式主要包含幾個重復步驟，包括光刻膠晶圓涂層，然后直接UV光刻，直接蝕刻到熔融石英襯底上，并重復在毫米級厚度的光學窗片表面生成二元圖案微結構。為了獲得最佳的光學效率，通常建議應用多達4個光刻步驟，形成16層微結構。

由于這種生產工藝提供了完美的角度精度與極低的制造公差。它們扁平、薄，易于集成到任何光路中。除上述優(yōu)點外，熔融石英還具有優(yōu)異的激光損傷閾值、表面偏差、顯微粗糙度和機械性能。

STED顯微鏡是一種測量亞微米結構的技術，要求系統(tǒng)具有很高的精度和準確度，否則會嚴重影響系統(tǒng)的整體性能。由于具有上述所有優(yōu)點，以及Holo/Or的螺旋相位片對偏振不敏感，不需要旋轉對準，因此它們是STED系統(tǒng)的完美解決方案。

螺旋相位片應用案例-精密激光加工

螺旋相位片相比其他光束整形方法的優(yōu)點：

-旋渦光束具有自修復特性，因此它對通光孔徑不敏感，是類似于高斯光束的。而對于光束整形器，情況并非如此，通常需要有效通光孔徑為2.5倍入射光斑。雖然能量損失會對光斑均勻性產生一些影響，但是遠低于光束整形器。這就意味著客戶可以使用更大的輸入光束和更高的NA。

-螺旋相位片適用于所有輸入光束尺寸——生成的環(huán)形光斑以與高斯光束相似的方式按輸入光束大小縮放，不需要精確輸入光束直徑。通過改變輸入光束尺寸，螺旋相位板可以生成不同的圓環(huán)尺寸，當光束直徑改變時，圓環(huán)線性縮放。

-當用渦旋光束掃描時，不同于高斯光束，掃描線的綜合能量分布（即燒蝕的槽能量剖面）是平頂?shù)?。即使對于低拓撲電荷（包括m = 1）也是如此，這使得相對較窄的掃描線在整個線輪廓上具有良好的一致性。

-螺旋相位板和任何相位板一樣，都是薄而輕的組件，易于集成到光學裝置中。Holo/Or和Vortex的螺旋相位片由單片材料（UV熔融石英或ZnSe）制成，具有高損傷閾值，使其適用于高功率應用，包括使用幾千瓦激光器的應用。

螺旋相位片精密激光加工應用：

由于其自修復特性，螺旋相位片產生的光斑分布即使穿過相對狹窄的孔，也往往能保持穩(wěn)定。這使得這種光束在各種振鏡掃描應用中非常有用，而高斯光斑通常會導致掃描線寬度上的強度不均勻。使用螺旋相板有利于以下一些已知應用：

-激光燒蝕去除材料（例如，太陽能電池板背面的鈍化）。螺旋相位板用于實現(xiàn)均勻的掃描能量分布，這與holoor的M型光束整形器類似。

-激光切割薄片或切割薄半導體晶片。在這種情況下，在橫截面上有一個均勻的能量分布，以減少背面的碎屑和損壞。當在一條直線上掃描光斑時，螺旋相位板會產生這種分布。

-激光鉆孔。在這種情況下，能量最好消耗在鉆孔直徑上，而不是浪費在中心。在PCB激光鉆孔中使用振鏡+掃描儀設置就會出現(xiàn)這種情況。漩渦相位板生成的光斑能量分布在整個束腰保持不變，即使該束腰與不透明材質相交。