高效的固態(tài)衍射光學元件制造方法

作者：Light新媒體

導讀

近日，來自以色列理工學院的Yoav Shechtman團隊，利用可固化透明材料的折射率匹配方法，提出了一種簡單且經(jīng)濟高效的固態(tài)高性能衍射光學元件的制造方法，大幅簡化了衍射光學元件的生產(chǎn)流程及難度，對光學與光子學領域的發(fā)展具有重要意義。

研究背景

衍射光學元件（Diffractive optical elements, DOEs）通過單個集成的光學元件實現(xiàn)高度復雜的光整形任務。這種能力使DOE在像差校正，增強現(xiàn)實，成像系統(tǒng)，太陽能等多個應用領域都受到廣泛的關注。然而，高質量的光整形需要亞波長精度的制造，因此研發(fā)DOE的制造技術也極具挑戰(zhàn)性。復雜的 DOE 通常由數(shù)十納米分辨率的拓撲組成，這通常需要昂貴、耗時且需要特殊基礎設施的制造方法，例如光刻等方法。

增材制造 (Additive manufacturing，AM) 是一種多功能且高效的制造方法，可為復雜部件提供快速的制造和經(jīng)濟高效的生產(chǎn)。此外，增材制造工藝對于所制造零件的幾何復雜性相對穩(wěn)健。盡管增材制造最近在打印光學元件方面顯示出了有希望的結果，但增材制造在光學制造中的局限性仍然存在。這些限制與表面質量、光學特性（例如折射率、透明度）的均勻性以及精度、元件尺寸和制造持續(xù)時間之間的基本權衡有關。因此，如果能開發(fā)新的制造方案，使得DOE能夠在增材制造技術的基礎上進行制造，無疑能夠大大降低DOE的制造成本，對光學與光子學領域的應用具有極其重要的價值。 創(chuàng)新研究 在本研究中，研究人員提出了一種快速、簡單的基于增材制造的方案來制造全固態(tài)DOE，這種新的方案具備極高的靈活性、可用性和較低的資源成本，成功將成本與制造時間降低了數(shù)個數(shù)量級。

該方案通過結合兩種僅折射率匹配的材料，有效地將DOE的臨界尺寸從納米尺度擴大到微米尺度，并相應地增加對制造誤差的容忍度（圖一）。在該方案中，對制造精度的要求被替換成了對材料折射率的精度要求，而這較容易實現(xiàn)。本研究進一步地使用該方法制造了來自多個光學領域的DOE來證明該方案的實用性和普適性，包括：菲涅爾微透鏡陣列（圖二）、產(chǎn)生具有不同拓撲電荷數(shù)的矢量光束的螺旋相位板（圖三），用于 3D 超分辨率顯微鏡的相位掩模、編碼熒光源的軸向和光譜信息，包括它們在 MINSTED 納米顯微鏡中的應用（圖四，圖五，圖六）。

這一研究突破了現(xiàn)有DOE制造技術的瓶頸，對于多種光學應用的工業(yè)化具有極其重要的作用，具有極高的學術與應用價值。

圖一：制作方法。近折射率匹配固體 DOE 制造過程主要步驟的示意圖。使用市售 3D打印工具來打印 3D 模板（本工作使用了兩種不同的技術，光聚合和納米顆粒噴射，軸向分辨率約為 25 μm）。使用第一聚合物將模板轉化為第一透明層。接下來，從模板中提取第一透明層，并在第一層上方聚合第二聚合物以獲得最終的固體DOE。

圖二：微透鏡陣列（micro?lens?array，MLA）。MLA的a) 2D高度圖和 b)3D插圖。c)相機上采集的圖像，顯示 MLA 聚焦的點以及三個點的強度圖。d) 用于 MLA 演示的光學系統(tǒng)。e) 用于成像實驗的光學系統(tǒng)示意圖。f) 成像結果：兩個示例物體“NBO LAB”和一顆星星通過 MLA從手機屏幕投影，并得到了兩個相應的圖像。

圖三：螺旋相位板（spiral?phase?plate，SPP）。a）測量SPP的拓撲電荷（m）和輪廓強度的實驗裝置。b）通過球面或柱面透鏡（虛線和實線）和具有不同拓撲電荷的SPP的高斯光束成像的實驗結果；從左到右分別為 m=1,2,8。c) 用于生成矢量場奇點的實驗裝置。BE：擴束鏡；空間濾光片組件，P：偏振器，M1、M2：反射鏡，SPP：螺旋相位板，QWP：四分之一波片，PBS：偏振分束器，BS：分束器，CCD：相機。d) 顯示矢量場奇點生成的實驗結果；每行分別對應于m=1和m=2生成的一組不同的實驗測量的強度分布（右）和矢量場的理論分布（左）。

圖四：定位精度約為 1 nm的MINSTED 熒光納米顯微鏡。在 STED 和 MINSTED 納米顯微鏡中，編碼 0-2π 相位的掩?？捎糜诋a(chǎn)生環(huán)形焦點圖案，其中心具有“零”（最?。姸赛c以抑制熒光。a) STED 和 MINSTED 成像的操作原理，具有有效的點擴散函數(shù) (EPSF)，可以通過 STED 抑制模式的強度進行調(diào)整。b) E-PSF 的半峰全寬 (FWHM) 作為 STED 功率（636 nm 波長）的函數(shù)。使用固定的單個 Cy3B 熒光團重復測量 E-PSF。顯示了數(shù)據(jù)的冪律擬合結果（虛線）。c) MINSTED 記錄了 TOM22（線粒體外膜中的一種蛋白質）在用一抗和二抗染色的 U-2 OS 細胞中的定位。通過將每個定位顯示為具有幅度統(tǒng)一和與其定位精度匹配的標準偏差的高斯來執(zhí)行渲染（包括高精度定位的飽和度）。研究人員將此量表示為熒光團結合位點之間間距為 12 nm 的 3×3 DNA 折紙網(wǎng)格的累積歸一化定位概率 (CNLP)的定位。d) 單分子跡線分析的定位精度直方圖，表明中值精度（st. dev.）為 0.6 nm。e,f) DNA 折紙的兩個例子。渲染是通過將每個定位顯示為高斯分布來執(zhí)行的，該高斯分布具有統(tǒng)一的像素和和與其定位精度相匹配的標準差（包括高精度定位的飽和度）。因此，圖像對每個像素的定位概率 (LP/pix) 進行編碼。比例尺：200 nm (c)、10 nm (e,f)。

圖五：使用 resPAINT 和 DH PSF 對細胞膜形貌進行 3D 超分辨率成像。a) 使用 1.32 NA 硅油物鏡捕獲的 100 nm 熒光珠的 DHPSF 校準。b) 卡通圖顯示了使用 resPAINT 對 Jurkat T 細胞頂端表面進行大自由度成像。c) WGA-HMSiR 在 9.4 pH 下與固定 Jurkat T 細胞（圓圈突出顯示細胞）結合的代表性框架。(d) 使用 resPAINT 和 DHPSF 獲取的細胞膜頂端表面的 3D 超分辨率圖像。該圖像包含約 30 萬個定位點，以 30 毫秒的曝光時間收集了超過 30 萬幀。為了突出細胞膜的形貌，我們將每個數(shù)據(jù)點與其局部鄰居（200 nm 半徑殼）進行比較以量化曲率。這是使用主成分分析完成的，該分析通常用于對點云數(shù)據(jù)進行分類。

圖六：多色 PSF 工程 DOE。a) 多色 DOE 的高度圖以及 515 nm（頂部）和 680 nm（底部）處的相應相位圖案。b) 使用相同 DOE 在不同軸向位置的兩種不同顏色熒光微球的實驗圖像 c) 兩種不同顏色的自由擴散熒光微球（發(fā)射峰 515nm 和 680nm） d) 示例框架，其中神經(jīng)網(wǎng)絡獲得的定位用紅色和綠色三角形標記（左），疊加紫色神經(jīng)網(wǎng)絡重建（右） e) 綠色和紅色熒光微球的重建 3D 軌跡 f) 兩種顏色的單一熒光團（抗小鼠 AF488 和抗小鼠 AF647 抗體）在聚賴氨酸包被的蓋玻片上，在兩個不同的軸向位置同時成像 g) 用抗 TOM20-AF647 抗體標記的固定 COS7 細胞中線粒體的超分辨率 STORM 重建，虛線放大橫截面：中空線粒體結構的示例。比例尺 b、d 和 e：2μm，g：5μm，虛線橫截面：0.5μm。

編輯：黃飛

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