CN103048716A - 一种单级聚焦波带片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单级聚焦波带片及其制造方法。本发明的波带片包括：透明衬底；形成于所述透明衬底上的多个不透光基元；所述多个基元数密度沿径向呈余弦或者正弦分布，即呈环带状分布，沿环带呈随机分布；所述各环带半径为r _m，r _m ²=mf λ+m ² λ ²/4，其中λ为波长，f为焦距，m为环数。基元的形状可以是多边形如六边形、圆形、扇形或其它任意形状中的一种。本发明单级聚焦波带片仅具有一对共轭的一级焦点，可以排除高级衍射带来的干扰和误差；同时本发明单级聚焦波带片结构中只存在有透光和不透光两种区域，是一种二值化结构，易于制作。本发明的单级聚焦波带片的特点表明其将可以用作聚焦、成像元件或单色器波长选择元件。

Description

一种单级聚焦波带片及其制造方法

技术领域

本发明涉及波带片技术，更具体的说，涉及一种单级聚焦波带片及其制造方法。

背景技术

1871年，Rayleigh发明了Fresnel波带片（Optics, Addison-Wesley, E. Hecht and A. Zajac），它同透镜类似，具有聚焦和成像的性质。Fresnel波带片由沿径向从内到外线密度逐渐增加的同心圆环带所构成，这些同心圆环带又称半波带，各个半波带的面积都是相等的，而且相邻偶数半波带或奇数半波带对应部分到焦点之间的光程差等于入射光波长。当电磁波入射到波带片表面上时，经过衍射，波带片将按照一种可预期的方式改变其电场的振幅、位相，或者同时改变其振幅和位相（http://www.gratinglab.com/）。最后，使入射的电磁波会聚在光轴上，会聚的位置与入射电磁波的波长有关，因此波带片可以用作聚焦、成像元件或者单色器波长选择元件。目前，Fresnel波带片已在远程光通信、测距、编码成像以及航天技术等领域获得了广泛的应用（菲涅耳波带片的设计和制作, 激光杂志, 张斌、王鸣、聂守平、谈苏庆），已知波带片的结构和种类也较多，有透射式的和反射式的，有振幅型的和位相型的，有聚焦型的和成像型的，有用于可见光波段的，也有用于X光波段的。所有这些波带片的奇数圆环带或偶数圆环带的透过率是相同的，不过奇数圆环带和偶数圆环带的透过率是不同的，所以波带片的透过率均沿径向呈阶跃变化，这种变化的特征不可避免地导致了波带片高级衍射的存在。

20世纪60年代末和70年代初，受点源全息图的启发，人们注意到了透过率沿径向以某种正弦或余弦规律变化的波带片，并称之为Gabor波带片（Efficiences of Zone Plates and Phase Zone Plates, Appl. Opt, Melvin H. Horman）。Gabor波带片具有单焦点的聚焦特征，不存在高级衍射。不过其存在难于制作的问题，以前人们通常采用记录全息图，然后曝光记录介质的方法来获得Gabor波带片，但这种方法容易受记录介质的非线性响应和点源的不确定性等问题的影响，且此方法不能制作适用于短波段（如X光波段）的Gabor波带片，原因如下：对于可见光等较长波段的入射光，制作的Gabor波带片仅对入射光的振幅进行调制，有效地抑制了高级衍射的发生。但是，当入射光为具有强穿透力的X光等短波段的射线时，制作的Gabor波带片在调制入射光振幅的同时，也使其位相产生不均匀的变化，从而又导致了高级衍射的产生。高级衍射的存在给波带片的应用带来了干扰并导致误差。例如，1.波带片作为聚焦元件使用时，得到的焦斑图像具有较强的背景，从而降低了焦斑图像的对比度。2.波带片作为单色仪或波长选择元件使用时，得到的单色光包含有一定的高次谐波成份。因此，通常的做法不能用来制作适用于X光波段的Gabor波带片。

1992年，Beynon和KirK等人提出了一种制作X光波段Gabor波带片的变通方法（Gabor zone plate with binary transmittance values, Optics Letters, T. D. Beynon, I. Kirk and T. R. Mathews），这种办法赋予了Gabor波带片二值化光学传递函数的特征，因而大大降低了Gabor波带片的制作难度，但是此方法设计出的Gabor波带片存在大量尺寸不等的尖角，大量尖角的存在直接限制了波带片的制作精度。

为了克服已有的制作Gabor波带片的方法中引入大量尖角的问题，本发明的单级聚焦波带片作为对Gabor波带片的一种实现避免了尖角的出现，它可以以较高的精度制作出来，且易于加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种单级聚焦波带片，本发明要解决的另一技术问题是提供一种单级聚焦波带片的制造方法。本发明的一种单级聚焦波带片易于制造，且精度较高，在太赫兹、红外、可见光以及紫外和X光等各可能应用波段，它都是对Gabor波带片的一种较好实现，不存在高阶焦点。

本发明的一种单级聚焦波带片，其特点是，所述的波带片包括：

透明衬底；

形成于所述透明衬底上的多个不透光基元，不透光基元的形状为多边形。

所述多边形为六边形、圆形、扇形或其它形状中的一种。

所述不透光基元为金属钽、铬、金、铝、铜、镍、铌制备的不透光材料。

所述不透光基元的厚度为300到800纳米。

所述多个不透光基元的数密度沿径向呈余弦或者正弦分布，即呈环带状分布，基元沿环带呈随机分布，所述环带半径为r _m，r _m ² = mfλ + m ² λ ²/4，其中λ为波长，f为焦距，m为环数。

所述透明衬底为二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺制成的透明材料。

本发明还包括如下内容：在透明衬底上涂覆不透光材料，通过光刻方法在透明衬底上形成多个不透光基元。

本发明的一种单级聚焦波带片的制造方法，包括：

A、提供透明衬底；

B、在所述透明衬底上形成多个不透光基元，不透光基元的形状为六边形、圆形、扇形或其它形状的多边形。

步骤B中所述的多个不透光基元的分布，数密度沿径向呈余弦或者正弦分布，即呈环带状分布，不透光基元沿环带呈随机分布，所述环带半径为r_m，r_m ² = mfλ + m² λ ²/4，其中λ为波长，f为焦距，m为环数。

所述透明衬底为由二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺中的一种透明材料制成。

与现有技术相比，本发明的单级聚焦波带片具有以下优点：

1．本发明的单级聚焦波带片，在透明衬底上有多个不透光基元，基元数密度沿径向呈余弦或者正弦分布，这种波带片具有单焦点的聚焦特性，不存在高阶焦点，因此作为聚焦成像元件使用时，将排除因背景光太强而带来的图像对比度低等问题；作为单色器波长选择元件使用时，将排除因高级衍射而带来的高次谐波成份，提高出射光的单色性能。

2. 本发明的单级聚焦波带片结构是基于二元光学设计的，在利用二元光学技术设计单级聚焦波带片时，具有灵活性高和成本低的特点。

3. 本发明的单级聚焦波带片结构只存在透光和不透光两种区域，这种二值化的结构可采用标准的半导体工艺制作，同时可选取相同形状和大小的基元，不存在特别尖锐的角，因此其制作精度更容易控制。

附图说明

图1为本发明实施例的单级聚焦波带片在半径                                                

的圆周上的基元分布； 

图2为根据本发明实施例的单级聚焦波带片的结构图和局部放大图； 

图3为本发明所述单级聚焦波带片和Gabor波带片的聚焦特性图：单色可见光照射下，在光轴上的衍射光强分布示意图；

图4为本发明所述单级聚焦波带片和Gabor波带片的聚焦特性图：单色可见光照射下，在焦平面上沿X坐标轴的光强分布示意图；

图5为本发明实施例单级聚焦波带片在光轴上的衍射光强分布以及理论模拟的结果；

图6 为本发明实施例单级聚焦波带片在焦平面上的衍射光强分布以及理论模拟的结果。

图7 为本发明所述单级聚焦波带片制作方法流程图；

图8为本发明所述单级聚焦波带片的聚焦特性图：在波长600微米THZ波段的电磁波照射下，在光轴上的衍射光强分布示意图；

图9为本发明所述单级聚焦波带片的聚焦特性图：在波长600微米THZ波段的电磁波照射下，在焦平面上沿X坐标轴的光强分布示意图；

图10为本发明所述单级聚焦波带片的聚焦特性图：在波长6纳米的软X射线照射下，在光轴上的衍射光强分布示意图；

图11为本发明所述单级聚焦波带片的聚焦特性图：在波长6纳米的软X射线照射下，在焦平面上沿X坐标轴的光强分布示意图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术部分所述，传统的Fresnel波带片存在多级焦点, 从而产生额外的非聚焦赝像，导致透过波带片的能量大量损失，使得成像质量下降。同时只有一对共轭焦点的Gabor 波带片, 由于记录介质的非线性响应和其它的一些不确定性, 制作出的Gabor 波带片并不理想。

实施例1

为此，本实施例公开一种适用于可见光波段的单级聚焦波带片，参考图1和图2所示，包括：

透明碳化硅衬底；

透明衬底上的多个钽（Ta）不透光基元。

在本发明中，对于可见光，所述透明衬底的材料还可以为普通玻璃或有机玻璃等透光材料，不透光材料还可以为金、铝或铜等不透光金属。

其中，所述基元可以为钽（Ta）、金（Au）、镍（Ni）或者其他可以阻挡某个波段电磁波的材料。基元可以为六边形等多边形、圆形、扇形或其它任意形状中的一种，优选地，所述基元为大小相同的正六边形，如图1所示为本发明的单级聚焦波带片在半径

的圆周上正六边形基元的分布，若其中被白色填充的正六边形为透光的基元，黑色背景的正六边形则为不透光的基元，此环带上透光的基元数与所有衍射单元数的比值定义为数密度，图中所示环带对应的数密度近似等于0.5。所述基元高度可以根据电磁波的穿透深度来设置，例如对于波长为5纳米的X射线，基元可以是高度为500纳米的金，此时基元能完全吸收入射其上的X射线。

其中，所述基元组成的环带至少为25个，每个环带包括数百个基元。如图2所示，透光的基元沿圆周方向呈随机分布状，其数密度沿半径方向为有规律的正弦或余弦变化，正弦或余弦变化的一个周期对应于Fresnel波带片透过率函数阶跃变化的一个周期，第m环带的半径r _m满足如下关系式：r _m ² = mfλ + m ² λ ²/4。

本发明单级聚焦聚焦波带片中，在透明衬底上有多个钽（Ta）不透光基元，基元数密度沿径向呈余弦或者正弦分布，这种波带片具有单焦点的聚焦特性，不存在高阶焦点，因此作为聚焦成像元件使用时，将排除因背景光太强而带来的图像对比度低等问题；作为单色器波长选择元件使用时，将排除因高级衍射而带来的高次谐波成份，提高出射光的单色性能。本发明实施例的单级聚焦波带片结构是基于二元光学设计的，在利用二元光学技术设计单级聚焦波带片时，具有灵活性高和成本低的特点。本发明实施例的单级聚焦波带片结构只存在透光和不透光两种区域，这种二值化的结构可采用标准的半导体工艺制作，同时可选取相同形状和大小的基元，不存在特别尖锐的角，因此其制作精度更容易控制。

以上对本发明的单级聚焦波带片结构进行了详细的描述，为了更好的理解本发明的单级聚焦效果，以下将对本发明单级聚焦波带片的聚焦特性进行理论模拟，并与理想Gabor波带片的聚焦特性进行比较，参考图3和图4所示。图3和图4分别为光轴上和焦平面上的衍射光强分布，比较可以看出本发明的单级聚焦波带片和理想Gabor波带片同样具有单焦点的聚焦特性，不存在高阶焦点，而且两种波带片的空间分辨能力相同。

以上对本发明的单级聚焦波带片及聚焦特性进行了详细的描述，为了更好的理解本发明的方案及效果，以下将对本发明聚焦波带片具体实施例聚焦特性的实验结果进行详细的描述。

图5为实验获得的单级聚焦波带片在光轴上的衍射光强分布（归一化的结果），可以看出波带片不存在高阶的焦点；图6（a）为实验获得的单级聚焦波带片在焦平面上的衍射光强分布，图6（b）为图6（a）所示焦平面上过焦斑中心的直线上衍射光强的分布以及理论模拟的结果，实验结果中存在的底座是由于CCD记录面存在一定的离焦量。在本实施例中，单级聚焦波带片的最内环半径为700μm，基元形状是正六边形（其边长为5μm），单级聚焦波带片总的尺寸大小为10 mm×10mm；实验中所用的入射光波长为633nm，由此可知对应的焦距大小为

cm。

以上对本发明的单级聚焦波带片结构和聚焦特性进行了详细的描述，为了更好的理解本发明的方案及效果，以下将对本发明具体实施例的制造方法进行详细的描述，如图7所示，具体步骤如下。

首先，提供碳化硅薄膜衬底。

其次，在所述碳化硅薄膜衬底上溅射一层Ta薄膜。

而后，在所述衬底上旋涂电子束抗蚀剂，热处理后进行电子束的直写和显影等，从而得到图案化的电子束抗蚀剂的掩模层，覆盖电子束抗蚀剂的部分为将要形成的不透光基元的图案。

接着，可以通过刻蚀的方法在未覆盖电子束抗蚀剂的Ta薄膜上刻蚀掉Ta。

而后，去除电子束抗蚀剂，从而在碳化硅透明衬底上形成了一定分布的不透光基元，所述基元的外接圆直径为10微米，基元沿径向呈正弦或者余弦分布，沿环带随机分布。

可以理解的是，在此实施例中，只有透光和不透光两种区域，透光的区域可以通过图案化的掩模图案来控制，制造工艺简单，可以同半导体制造技术兼容。

至此完成了此实施例的单级聚焦波带片，本领域技术人员可以理解的是，形成基元的方法是多样的，还可以采用先在衬底上形成图案化的掩模层，而后形成金属膜层，然后去除电子束抗蚀剂形成不透光基元，或者还可以采用其他合适的方法来形成，以上仅为示例，本发明对此处如何形成不透光基元的方法不做限制。

实施例2

本实施例公开一种适用于THz波段的单级聚焦波带片结构，单级聚焦波带片的最内环半径为40mm，最外环宽度是2.8427mm，基元形状是正六边形（其边长为2mm），波带片环数是50，单级聚焦波带片总的尺寸大小为568 mm×568mm；入射光波长为600 μm，由此可知对应的焦距大小为

m。

以上对本发明的单级聚焦波带片结构进行了详细的描述，为了更好的理解本发明的单级聚焦效果，以下将对本发明单级聚焦波带片的聚焦特性进行理论模拟，参考图8和图9所示。图8和图9分别为光轴上和焦平面上的衍射光强分布，可以看出本发明的单级聚焦波带片具有单焦点的聚焦特性，不存在高阶焦点，空间分辨能力和同参数下的Gabor波带片相同。

实施例3

本实施例公开一种适用于软X射线波段的单级聚焦波带片结构，单级聚焦波带片的最内环半径为70μm，最外环宽度是4.977μm，基元形状是正六边形（其边长为100nm），波带片环数是50，单级聚焦波带片总的尺寸大小为990μm×990μm；入射光波长为6nm，由此可知对应的焦距大小为

cm。

以上对本发明的单级聚焦波带片结构进行了详细的描述，为了更好的理解本发明的单级聚焦效果，以下将对本发明单级聚焦波带片的聚焦特性进行理论模拟，参考图10和图11所示。图10和图11分别为光轴上和焦平面上的衍射光强分布，可以看出本发明的单级聚焦波带片具有单焦点的聚焦特性，不存在高阶焦点，空间分辨能力和同参数下的Gabor波带片相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种单级聚焦波带片，其特征在于，所述的波带片包括：

透明衬底；

形成于所述透明衬底上的多个不透光基元，不透光基元的形状为多边形。

2.根据权利要求1所述的单级聚焦波带片，其特征在于：所述多边形为六边形、圆形、扇形或其它形状中的一种。

3.根据权利要求1所述的单级聚焦波带片，其特征在于：所述不透光基元为金属钽、铬、金、铝、铜、镍、铌制备的不透光材料。

4.根据权利要求1所述的单级聚焦波带片，其特征在于：所述不透光基元的厚度为300到800纳米。

5.根据权利要求1所述的单级聚焦波带片，其特征在于：所述多个不透光基元的数密度沿径向呈余弦或者正弦分布，即呈环带状分布，基元沿环带呈随机分布，所述环带半径为r _m，r _m ² = mfλ + m ² λ ²/4，其中λ为波长，f为焦距，m为环数。

6.根据权利要求1中所述的单级聚焦波带片，其特征在于：所述透明衬底为二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺制成的透明材料。

7.根据权利要求1所述的单级聚焦波带片，其特征在于，还包括如下内容：在透明衬底上涂覆不透光材料，通过光刻方法在透明衬底上形成多个不透光基元。

8.一种单级聚焦波带片的制造方法，其特征在于，所述的波带片包括：

A、提供透明衬底；

B、在所述透明衬底上形成多个不透光基元，不透光基元的形状为六边形、圆形、扇形或其它形状的多边形。

9.根据权利要求8所述的单级聚焦波带片的制备方法，其特征在于：步骤B中所述的多个不透光基元的分布，数密度沿径向呈余弦或者正弦分布，即呈环带状分布，不透光基元沿环带呈随机分布，所述环带半径为r_m，r_m ² = mfλ+ m² λ ²/4，其中λ为波长，f为焦距，m为环数。

10.根据权利要求8所述的单级聚焦波带片的制备方法，其特征在于：所述透明衬底为由二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺中的一种透明材料制成。

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