高效的固態(tài)衍射光學(xué)元件制造方法

作者：Light新媒體

導(dǎo)讀

近日，來(lái)自以色列理工學(xué)院的Yoav Shechtman團(tuán)隊(duì)，利用可固化透明材料的折射率匹配方法，提出了一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的固態(tài)高性能衍射光學(xué)元件的制造方法，大幅簡(jiǎn)化了衍射光學(xué)元件的生產(chǎn)流程及難度，對(duì)光學(xué)與光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

研究背景

衍射光學(xué)元件（Diffractive optical elements, DOEs）通過(guò)單個(gè)集成的光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的光整形任務(wù)。這種能力使DOE在像差校正，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，成像系統(tǒng)，太陽(yáng)能等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都受到廣泛的關(guān)注。然而，高質(zhì)量的光整形需要亞波長(zhǎng)精度的制造，因此研發(fā)DOE的制造技術(shù)也極具挑戰(zhàn)性。復(fù)雜的 DOE 通常由數(shù)十納米分辨率的拓?fù)浣M成，這通常需要昂貴、耗時(shí)且需要特殊基礎(chǔ)設(shè)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(fù)雜部件提供快速的制造和經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)。此外，增材制造工藝對(duì)于所制造零件的幾何復(fù)雜性相對(duì)穩(wěn)健。盡管增材制造最近在打印光學(xué)元件方面顯示出了有希望的結(jié)果，但增材制造在光學(xué)制造中的局限性仍然存在。這些限制與表面質(zhì)量、光學(xué)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(shí)間之間的基本權(quán)衡有關(guān)。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(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行制造，無(wú)疑能夠大大降低DOE的制造成本，對(duì)光學(xué)與光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有極其重要的價(jià)值。 創(chuàng)新研究 在本研究中，研究人員提出了一種快速、簡(jiǎn)單的基于增材制造的方案來(lái)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(shí)間降低了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。

該方案通過(guò)結(jié)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(kuò)大到微米尺度，并相應(yīng)地增加對(duì)制造誤差的容忍度（圖一）。在該方案中，對(duì)制造精度的要求被替換成了對(duì)材料折射率的精度要求，而這較容易實(shí)現(xiàn)。本研究進(jìn)一步地使用該方法制造了來(lái)自多個(gè)光學(xué)領(lǐng)域的DOE來(lái)證明該方案的實(shí)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?fù)潆姾蓴?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?cè)?MINSTED 納米顯微鏡中的應(yīng)用（圖四，圖五，圖六）。

這一研究突破了現(xiàn)有DOE制造技術(shù)的瓶頸，對(duì)于多種光學(xué)應(yīng)用的工業(yè)化具有極其重要的作用，具有極高的學(xué)術(shù)與應(yīng)用價(jià)值。

圖一：制作方法。近折射率匹配固體 DOE 制造過(guò)程主要步驟的示意圖。使用市售 3D打印工具來(lái)打印 3D 模板（本工作使用了兩種不同的技術(shù)，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(zhuǎn)化為第一透明層。接下來(lái)，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(jī)上采集的圖像，顯示 MLA 聚焦的點(diǎn)以及三個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)度圖。d) 用于 MLA 演示的光學(xué)系統(tǒng)。e) 用于成像實(shí)驗(yàn)的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。f) 成像結(jié)果：兩個(gè)示例物體“NBO LAB”和一顆星星通過(guò) MLA從手機(jī)屏幕投影，并得到了兩個(gè)相應(yīng)的圖像。

圖三：螺旋相位板（spiral?phase?plate，SPP）。a）測(cè)量SPP的拓?fù)潆姾桑╩）和輪廓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置。b）通過(guò)球面或柱面透鏡（虛線和實(shí)線）和具有不同拓?fù)潆姾傻腟PP的高斯光束成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；從左到右分別為 m=1,2,8。c) 用于生成矢量場(chǎng)奇點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置。BE：擴(kuò)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(jī)。d) 顯示矢量場(chǎng)奇點(diǎn)生成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；每行分別對(duì)應(yīng)于m=1和m=2生成的一組不同的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的強(qiáng)度分布（右）和矢量場(chǎng)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 相位的掩模可用于產(chǎn)生環(huán)形焦點(diǎn)圖案，其中心具有“零”（最小）強(qiáng)度點(diǎn)以抑制熒光。a) STED 和 MINSTED 成像的操作原理，具有有效的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (EPSF)，可以通過(guò) STED 抑制模式的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。b) E-PSF 的半峰全寬 (FWHM) 作為 STED 功率（636 nm 波長(zhǎng)）的函數(shù)。使用固定的單個(gè) Cy3B 熒光團(tuán)重復(fù)測(cè)量 E-PSF。顯示了數(shù)據(jù)的冪律擬合結(jié)果（虛線）。c) MINSTED 記錄了 TOM22（線粒體外膜中的一種蛋白質(zhì)）在用一抗和二抗染色的 U-2 OS 細(xì)胞中的定位。通過(guò)將每個(gè)定位顯示為具有幅度統(tǒng)一和與其定位精度匹配的標(biāo)準(zhǔn)偏差的高斯來(lái)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(tuán)結(jié)合位點(diǎn)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(gè)例子。渲染是通過(guò)將每個(gè)定位顯示為高斯分布來(lái)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(biāo)準(zhǔn)差（包括高精度定位的飽和度）。因此，圖像對(duì)每個(gè)像素的定位概率 (LP/pix) 進(jìn)行編碼。比例尺：200 nm (c)、10 nm (e,f)。

圖五：使用 resPAINT 和 DH PSF 對(duì)細(xì)胞膜形貌進(jìn)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(zhǔn)。b) 卡通圖顯示了使用 resPAINT 對(duì) Jurkat T 細(xì)胞頂端表面進(jìn)行大自由度成像。c) WGA-HMSiR 在 9.4 pH 下與固定 Jurkat T 細(xì)胞（圓圈突出顯示細(xì)胞）結(jié)合的代表性框架。(d) 使用 resPAINT 和 DHPSF 獲取的細(xì)胞膜頂端表面的 3D 超分辨率圖像。該圖像包含約 30 萬(wàn)個(gè)定位點(diǎn)，以 30 毫秒的曝光時(shí)間收集了超過(guò) 30 萬(wàn)幀。為了突出細(xì)胞膜的形貌，我們將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與其局部鄰居（200 nm 半徑殼）進(jìn)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(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)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(shí)驗(yàn)圖像 c) 兩種不同顏色的自由擴(kuò)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(luò)獲得的定位用紅色和綠色三角形標(biāo)記（左），疊加紫色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(tuán)（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(gè)不同的軸向位置同時(shí)成像 g) 用抗 TOM20-AF647 抗體標(biāo)記的固定 COS7 細(xì)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(jié)構(gòu)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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