CN101398493A - 振幅型波带片光子筛 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振幅型波带片光子筛，属于光学仪器领域。本发明是在透明介质上，其中心部位设置菲涅耳波带片环带，在环带***设置普通的光子筛圆孔，光子筛的圆孔包围波带片的环带。其中菲涅耳波带片是振幅型的。制造的光子筛所基于的波带片和内部所包围的波带片的设计参数一致，光子筛每个圆孔的直径是相应位置环带的1.5倍；***光子筛最外环圆孔的直径与中心部分波带片最外环环带的宽度一致，它们根据现有的微细加工最小线宽的工艺能力确定。本发明可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀、强激光能量集中、X射线聚焦和其它需要能量聚焦到中心光斑的各种仪器中，可以提高筛聚焦衍射光强，即实现了激光束远场衍射斑的主斑能量的提升。

Description

振幅型波带片光子筛

技术领域

本发明涉及一种激光光束波面整形技术领域，特别是涉及一种振幅型波带片光子筛。

背景技术

所谓光子筛，是一种新型聚焦成像衍射光学器件，利用它可以对X光聚焦和成像，这是一般棱镜和玻璃材料的成像光学器件无法实现的。光子筛与传统的光学元件菲涅耳Fresnel波带片相比，具有高分辨率和抑制二级衍射主极大等优点，能提高成像的对比度。而且，作为新型衍射元件，它具有体积小、重量轻、易复制等优点。

光子筛可以应用于高分辨率显微镜、天文望远镜、下一代光刻，激光可控核聚变(ICF)研究等。

在2001年，Kipper et al.首次提出了一种新型的衍射光学器件：光子筛，用它可以对软X射线和EUV辐射光源聚焦和成像[Kipp，L.，Skibowski，M.，Johnson，R.L.，Berndt，R.，Adelung，R.，Harm，S.，and Seemann，R.Sharper images by focusing soft X-ray withphoton sieves.Nature[J]，2001.414，184-188.]。

2003年Gil and Menon报道在“光束扫描光刻”(ZPAL)***中用光子筛替代波带片[Menon，R.，Gil，D.Barbastathis，G.，and Smith，H.I.Photon-sieve lithography[J].Opt.Soc.Am.A，2005.22(2)，342-345.]。

此后，由于光子筛本身具有的优越的性能，人们对它越来越感兴趣，并将它应用于各种新的研究领域，如环绕太阳卫星的EUV望远镜，THZ波全息术等[S.Wang andX.Zhang.Terahertz tomographic imaging with a Fresnel lens[J].Opt.Photon.2002.News13，59]。

光子筛(Photon Sieve，PS)是在菲涅耳波带环上制作大量适当分布的具有不同半径的透光微孔的衍射光学元件(Diffraction Optical Element，DOE)。

光子筛在软X射线、极紫外线的聚焦和成像上有很好的应用，可应用于高分辨率显微术、光谱学、下一代光刻等领域。用光子筛(PS)代替菲涅耳波带片Fresnel zoneplate(FZP)对软X射线聚焦和成像，可以得到更高的分辨率，降低对光刻技术制作工艺的要求。但是光子筛聚焦的光斑主板能量可以作进一步的提升。

用于衡量衍射效果的参数包括“中心能量比”和“第一零点”。的我们定义“中心能量比”为衍射场中央主瓣的能量除以全部衍射场的能量。它可以表征中央主瓣能量的集中度。定义的“第一零点”为主瓣与第一旁瓣之间的能量最小值所在的位置，它的位置可以表征中央主瓣的尺寸大小。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种振幅型波带片光子筛，以实现激光束远场衍射斑的主斑能量的再提升。为实现上述目的，本发明所述技术方案如下：

本发明的振幅型波带片光子筛，所述振幅型波动片上包括菲涅耳波带片环带，在所述菲涅耳波带片环带的***设置有光子筛圆孔环带，即根据菲涅耳波带片的设计参数，将所述菲涅耳波带片的***环带替换为光子筛圆孔环带；所述光子筛圆孔的直径为所替代的所述菲涅耳波带片环带宽度的1.5倍；所述光子筛最外环圆孔的直径与所述菲涅耳波带片最***环带的宽度一致。

本发明的振幅型波带片光子筛，所述菲涅耳波带片为振幅型。

本发明的振幅型波带片光子筛，所述振幅型波带片光子筛由透明介质制成。

本发明的振幅型波带片光子筛，所述菲涅耳波带片最外环环带的宽度大于或等于现有加工工艺能力的最小线宽。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提供的振幅波带片光子筛，通过将普通光子筛衍射的中间部分的圆孔改变为菲涅耳波带片，使通过振幅波带片光子筛的准直平行激光在远场形成中心主斑比光子筛衍射的中心主斑能量提高，但是主瓣大小并不显著增加的光场分布。本发明就是将菲涅耳波带片的高衍射效率和新兴的光子筛结合起来，实现了光子筛聚焦衍射的主斑能量再提高的光强分布，即实现了激光束远场衍射斑的主斑能量的再提高，这是传统的光子筛所无法实现的。

附图说明

图1是现有的50环光子筛示意图；

图2是本发明振幅型波带片光子筛实施例108环振幅波带片光子筛的结构示意图；

图3是本发明实施例108环振幅波带片光子筛的衍射光强和现有的108环普通光子筛衍射光强与径向距离的对比图；

图4是本发明振幅波带片光子筛的实验检测装置图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

现有的波带片由透明和不透明圆环交替组成，用以阻挡菲涅耳半波带中的奇数带或偶数带。在点光源照明下，经它能获得高强度的像点。制作时波带片的半径按 $[55-08]{\mathrm{\ρ}}_k=\sqrt{{\mathrm{k\ρ}}_1},$ ＝1，2，3...比例刻划，再将单数(或双数)波带涂黑，只让双数(或单数)波带开放。当平行光照明这张平面波带片时，在距离波带片为 $[55-09]f={\mathrm{\ρ}}_1^2/\mathrm{\λ}$ 有一个主焦点(衍射聚集)，其光强可以达到自由传播光强的成百上千倍以上。

现有的光子筛是在菲涅耳波带环上制作大量适当分布的具有不同半径的透光微孔的衍射光学元件。

由衍射光学角谱的结论可知：

设在z＝0平面上引入一个无穷大的包含有光子筛结构的不透明屏，理想的平面波照在光子筛上。光子筛的透过率函数为：

$E(x,y,0)=\left\{\begin{array}{cc}1& {(x-x_{\mathrm{ij}})}^2+{(y-y_{\mathrm{ij}})}^2\≤{r_i}^2\\ 0& \mathrm{other}\end{array}---\left(1\right)\right.$

在(1)中，xij，yij表示波带上微孔圆心坐标，i＝1，2......n，(n为波带片环数)j＝1，2，......m(m为相应环上的微孔数)。E(x，y，0)经过二维空间离散傅里叶变换得到入射光在衍射屏上的角谱F0(fx，fy，0)。

$E(f_x,f_Y.0)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}E(x,y,0)\exp [-j2\mathrm{\π}(f_{X}x+f_{Y}y)]\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

在(2)中，f_X，f_Y是空间频率， $f_X=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}},$ $f_Y=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\λ}}$ (α，β是波矢

与X轴，Y轴之间的夹角)。入射光经过光子筛后沿z方向传播。在Z＝z处，空间频率的频谱E.(fx，fy，z)为：

$E(f_X,f_Y,z)=E(f_X,f_Y,0)\exp (j2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2}-f_X^2-f_Y^2}.z)---\left(3\right)$

在(3)中，f_Xf_Y必须满足条件 $f_X^2+f_Y^2\≤1/{\mathrm{\λ}}^2,$ 此式表明，传播一段距离的z的效应只是改变了各个角谱分量的相对相位。但是当 $f_X^2+f_Y^2>1/{\mathrm{\λ}}^2$ 时，空间频率的频谱E.(fx，fy，z)为

E(f_X，f_Y，z)＝E(f_X，f_Y，0)exp(-μz)       (4)

在(4)中， $\mathrm{\μ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\left(\frac{x}{z}\right)}^2+{\left(\frac{y}{z}\right)}^2-1}.$

由于μ是一个正实数，这些波动分量因传播距离增大而迅速衰减。将(4)式做傅里叶逆变换，得到光波振幅E(x，y，z)

$E(x,y,z)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\∞}^{\∞}E(f_X,f_Y,0)\exp (j2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2}-f_X^2-f_Y^2}.z)\exp \left[j2\mathrm{\π}(f_{X}x+f_{Y}y)\right]{\mathrm{df}}_X{\mathrm{df}}_Y---\left(5\right)$

以上是普通光子筛的衍射理论。而针对振幅型波带片光子筛，需要修改的就是每一个透过率函数。由完全透光的圆形孔径变成圆孔加上圆环振幅型衍射单元。

本发明的振幅型波带片光子筛是结合了现有的光子筛和菲涅耳波带环的基本结构改进而成。本发明提供的这种振幅波带片光子筛，是一片在透明介质上，先制造普通的菲涅耳波带片，而在波带片***制造普通的光子筛，光子筛的圆孔包围波带片，即在波带片的***用光子筛的圆孔围成环带代替波带片的环带。这样，本发明的振幅型波带片光子筛的中心部分是现有菲涅耳波带环，而菲涅耳波带环的***被加工成现有的光子筛的圆孔环带形式。本发明中的菲涅耳波带片是振幅型的。制造的光子筛所基于的波带片和内部所包围的波带片参数一样。只是***光子筛中每个小孔的直径是相应被替换掉的菲涅耳波带环环带宽度的1.5倍。通过设计要保证本发明***光子筛最外环小孔的直径与本发明中心部分菲涅耳波带片最外环环带的宽度一致，它们都受限于微细加工得最小线宽，所以在设计本发明的振幅型波带片光子筛时，还要考虑现有的加工工艺能力。中心部分的菲涅耳波带片圆环和周围包围的光子筛圆孔共同构成本发明的振幅型波带片光子筛。

下面以一个108环的振幅型波带片光子筛为例，描述其制作方法：

1、按照现有的光子筛设计方法，根据激光波长以及现有的加工工艺能力确定光子筛焦距和环数；

2、加工中心部位的普通菲涅耳波带片；

3、加工菲涅耳波带片***的光子筛。

假设激光波长是6328纳米，焦距是100毫米，环数是108环。其中波带片的环数是50，这样做可以保证本发明中的中心部位的菲涅耳波带片最外环的宽度与本发明中的***部分光子筛最外环圆孔的直径相同。由于加工工艺能力随光学技术的发展处于不断变换中，我们这里假设制造的线宽是18.2微米。假设***部分光子筛的圆孔在菲涅耳波带片偶数环带，则微圆孔的半径从大到小是：

52.0988微米，33.7020微米，26.8437微米，22.9765微米，20.4109微米，18.5493微米，17.1191微米，15.9758微米，15.0348微米，14.2427微米，13.5639微米，12.9737微米，12.4544微米，11.9929微米，11.5792微米，11.2055微米，10.8658微米，10.5553微米，10.2699微米，10.0065微米，9.7624微米，9.5353微米，9.3234微米，9.1250微米。

而本发明中心部位的菲涅耳波带片圆环的位置在奇数环，其位置分别是：0.3558-0.4357毫米，0.5031-0.5625毫米，0.6162-0.6656毫米，0.7115-0.7547毫米，0.7955-0.8343毫米，0.8714-0.9070毫米，0.9412-0.9743毫米，1.0062-1.0372毫米，1.0673-1.0965毫米，1.1250-1.1528毫米，1.1799-1.2064毫米，1.2324-1.2578毫米，1.2827-1.3071毫米，1.3311-1.3547毫米，1.3778-1.4006毫米，1.4230-1.4451毫米，1.4668-1.4882毫米，1.5093-1.5302毫米，1.5507-1.5710毫米，1.5910-1.6107毫米，1.6303-1.6496毫米，1.6686-1.6875毫米，1.7061-1.7246毫米，1.7428-1.7609毫米。

利用上述参数就可进行进行本发明的菲涅耳波带片的制作工作了。上述每组两个距离之间为透光的波带片圆环，其余的部分制作不透光。图2即为本发明振幅型波带片光子筛实施例的108环振幅型波带片光子筛结构的示意图，图中的黑色是不透光的部分，图中的白色是透光的部分。

本发明的振幅型波带片光子筛是一种新型的衍射光学器件。该器件放置于衍射极限透镜之前或之后，对激光束远场衍射光斑各级谱光强度进行修正，实现比普通光子筛的衍射中心光斑能量更集中的衍射中心衍射斑。本发明的振幅型波带片光子筛采用的较小的衍射圆孔和衍射环结构取代普通光子筛的单园衍射孔径。本发明给出了圆环衍射单元的设计结构，并进行了相关模拟实验。实验验证了采用本发明的振幅波带片光子筛可以实现激光束远场主光斑能量的进一步提升。本发明技术可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀、强激光能量集中，X射线聚焦和其它需要能量聚焦到中心光斑的各种仪器中。

描述本发明的振幅型波带片光子筛参数有包括：

1)波带片光子筛的中心能量比：即准直的相干光通过环带光子筛，所产生的衍射场中，主斑和总衍射场的能量比值。比值越高，说明主斑聚集的能量越多。

2)波带片光子筛的第一零点：第一零点是主斑与第一衍射极大之间极小值的位置。值越大，说明主斑底盘越大。值越小，说明主斑底盘越小。

根据本发明实施例给出的振幅波带片光子筛的设计参数。我们在图3中给出了衍射光强的比较曲线。我们选择了现有的108环的普通光子筛和108环的本发明振幅型波带片光子筛进行对比。这样选择的原因是这两器件具有相同的最小衍射单元尺寸，即相同的最小外环半径和最小圆孔尺寸。由图3中显示中心能量比：现有的普通光子筛是0.9592，第一零点位置在9；本发明的振幅型波带片光子筛的中心能量比是0.9691，第一零点位置在9；同时，在相同的入射光情况下，本发明的振幅型波带片光子筛的衍射光强峰值约是现有的普通光子筛的2倍，这极大地增加了衍射场的光能量。

表1所示为上述两种器件的衍射比较结果。

由比较结果可见，现有的普通光子筛的中心能量比是0.9592，而本发明的振幅型波带片光子筛较大幅度的提升了主斑衍射光强峰值，并且使得能量集中度有所提高。

 

	基于菲涅耳波带片环数(F)	中心能量比	第一零点
				振幅型波带片光子筛	108	0.9691	9
普通光子筛	108	0.9592	9

表1

本发明的振幅波带片光子筛在实际的应用如图4所示。1是准直激光器，2是聚焦透镜，3是本发明的振幅型波带片光子筛，4是CCD光电探测器。从准直激光1发出的光经过聚焦透镜2和振幅型波带片光子筛3，在聚焦透镜2的焦平面上产生主斑衍射图。这样的衍射主斑强度分布可以由放在聚焦透镜2的焦面上的CCD探测器4探测到并证实之。

实验证明加入本发明的振幅波带片光子筛后，确实实现了远场衍射光斑主瓣能量比普通光子筛的主斑能量的进一步提升。这充分说明本发明可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀、强激光能量集中，x射线聚焦和其它需要能量聚焦到中心光斑的各种仪器中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种振幅型波带片光子筛，所述振幅型波动片上包括菲涅耳波带片环带，其特征在于，在所述菲涅耳波带片环带的***设置有光子筛圆孔环带，即根据菲涅耳波带片的设计参数，将所述菲涅耳波带片的***环带替换为光子筛圆孔环带；所述光子筛圆孔的直径为所被替代的所述菲涅耳波带片环带宽度的1.5倍；所述光子筛最外环圆孔的直径与所述菲涅耳波带片最***环带的宽度一致。

2、根据权利要求1所述的振幅型波带片光子筛，其特征在于，所述菲涅耳波带片为振幅型。

3、根据权利要求1所述的振幅型波带片光子筛，其特征在于，所述振幅型波带片光子筛由透明介质制成。

4、根据权利要求1所述的振幅型波带片光子筛，其特征在于，所述菲涅耳波带片最外环环带的宽度大于或等于现有加工工艺能力的最小线宽。

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