一种位相型光子筛制造技术

位相型光子筛，是由传统菲涅尔波带片结构改进而成。它是由随机分布在菲涅尔波带片透光和不透光环带上的小孔组成，其中透光环带上的小孔和不透光环带上的小孔之间有π位相差，位相差由精确控制各环带的刻蚀深度来实现。位相型光子筛的制作过程由电子束加工工艺完成。相比于菲涅尔波带片而言，位相型光子筛在保持高衍射效率的同时，还具有更优的分辨力；相比于振幅型光子筛而言，位相型光子筛在保持高分辨力的同时，还具有更优的衍射效率。作为一种优良的纳米量级衍射成像器件，位相型光子筛可广泛地应用于纳米光刻、天文观测、航空拍摄、武器视觉等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种位相型光子筛，属于衍射光学器件或微光学元件领域。
技术介绍
当今，光学成像系统在许多特殊重要场合正朝着超轻、超小、超分辨的方向快速发 展，常规的折射光学系统正逐步被折衍混合光学系统甚至纯衍射光学系统所取代。衍射光 学元件因其具有体积小、重量轻、易复制、更多的设计自由度、宽广的材料可选性、独特的色 散性能、特殊的光学性能等优点，在光传感、光通信、光计算、光存储、激光医学、微光刻、天 文观测等领域中有着广泛的应用前景。二元光学元件是近年来迅速发展起来的一种新型 衍射光学元件，其典型代表是菲涅尔波带片，它不仅在聚光方面类似于普通透镜，而且在成 像方面也类似于普通透镜。但菲涅尔波带片成像的空间分辨力取决于最外环带的宽度，即 受限于目前光刻制作的水平，从而制约了波带片在高分辨力要求等特殊场合的应用。2001 年，德国的L. Kipp教授在nature杂志上发表文章，首次提出了光子筛的概念，它是用随机 分布在透光环带上的小孔代替菲涅尔结构的透光环带而形成的。随机分布的小孔能有效地 抑制次级和高级衍射，从而提高了成像对比度和分辨力。但由于只有分布在透光环带上的 小孔才对焦点的形成做出贡献，而其它区域将会削弱焦点的形成，因而振幅型光子筛的衍 射效率比波带片还要低，仅10%左右，这极大地影响它的实用化。找到一种新的结构，既具 有高分辨力，又具有高衍射效率，为光子筛实用化起推动作用，已成为业界急需解决的核心 问题。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种位相型光子筛，从 而可以同时获得高分辨力和衍射效率，为光子筛的实用化奠定基础。 本专利技术的技术解决方案为一种位相型光子筛，所述光子筛的基底为不透明金属 的玻璃基底，在不透明金属的玻璃基底上分布有透光和不透光环带，在所述的透光和不透 光环带上随机分布有孔，所述位相型光子筛的设计步骤如下 (1)根据所要求的光子筛波长A 、直径D、焦距f计算出相对应的菲涅尔波带片各环带的半径/;=扣/x入，相邻两环半径之差即为环带宽度wn， <formula>formula see original document page 3</formula> ;假设波带片的中心环带为亮环，则第一个亮环宽度巧=巧，以此类推，下标n为奇数时对应的 wn为亮环宽度；下标n为偶数时对应的wn为暗环宽度，n取值范围应小于波带片的总环带数，记总环带数为N，则<formula>formula see original document page 3</formula> (2)分别在透光和不透光的环带上分布的孔直径dn大于相应的环带宽度，则dn = kXwn(n > 2)，k为比例系数，它的取值由第一类一阶贝塞尔函数决定，大致为1.5、3.5、5.5 等，但为了避免孔的重叠，一般取1.5左右，但仍跟实际设计的光子筛的波长、直径、焦距等 因素有关，本专利技术经优化后取1. 44。 2、根据权利要求1中所述的位相型光子筛，其特征在于所述步骤(2)中透光和不 透光环带上随机分布的孔满足如下条件 a.所有孔不能相互重叠； b.相邻透光和不透光环带上分布的小孔之间要产生位相差，这样才能在焦点 处产生相干叠加，从而使得焦点处的能量增强，即提高了衍射效率； c.各环带孔面积之和呈现高斯分布，通过改变光瞳的复振幅透射比，使得光瞳的 衍射图样具有最窄宽度的主瓣和最小的旁瓣，从而改变系统的点扩展函数以改善系统的成 像质量。 本专利技术与现有技术相比的有益效果在于 (1)相比于波带片而言，位相型光子筛具有更优的分辨力。因波带片成像除了主焦 点外，还有很多次级或高级焦点，它们的存在极大地影响了成像的对比度，且波带片的最佳 分辨力取决于最外环带宽度，即取决于目前的加工水平。本专利技术位相型光子筛因为有随机 分布的小孔，可以很好地抑制高级衍射，尽可能地将能量集中在主焦点处，因而提高了分辨 力； (2)相比于振幅型光子筛而言，位相型光子筛具有更优的衍射效率。因振幅型光子 筛只有分布在透光环带上的小孔对焦点的形成才有贡献，不透光环带没有小孔分布，故其 它区域将削弱焦点的形成。位相型光子筛使得透光和不透光环带都随机分布小孔，且透光 环带和相应的不透光环带的小孔之间形成n位相差，则在焦点处将进行相干叠加，从而使 得焦点处的能量增强，即提高了衍射效率； (3)本专利技术的位相型光子筛可广泛地应用于纳米光刻、天文观测、航空拍摄、武器 视觉等领域，为提高我国在该领域的竞争能力打下基础。附图说明 图1为菲涅尔波带片示意图； 图2为位相型光子筛示意图； 图3为光子筛的衍射模型示意图； 图4为传统的振幅型光子筛的横截面示意图； 图5为本专利技术的位相型光子筛的横截面示意图。具体实施例方式如图1所示，为菲涅尔波带片的结构示意图。在本具体实施例中，取入射光源波长 为355nm，波带片直径为lmm，焦距为lOmrn。记N为波带数，则N = D2/ A X f = 281 ;记rn为各环半径，则^ = ^x/x;i ， f为焦距，A为波长，n为波带片环带的序号，N为波带片总的环带数目，n取值范围小于等于N ;示意图只显示了前16个环带，以此类推。前16个环带半 径分别为iv r16 = 60. 42 ii m， 85. 44 ii m， 104. 64 ii m， 120. 83 ii m， 135. 09 ii m， 147. 99 ii m， 159. 84 ii m， 170. 88 ii m， 181. 25 ii m， 191. 05 ii m， 200. 37 ii m， 209. 28 ii m， 217. 83 ii m， 226 05 ii m， 233. 99 y m， 241. 66 y m ;相邻两个环带半径之差即为环带宽度，记为wn，则环带 宽度依次为25. 02 ii m， 19. 20 ii m， 16. 19 ii m， 14. 16 ii m， 12. 90 ii m， 11. 85 ii m， 11. 04 ii m，在本 专利技术实施例中，中心环带为亮环。 如图2所示，为位相型光子筛示意图。记k为比例系数，则各相应环带上的小孔 直径《=kXwn(n > 2)。在本专利技术实施例中，取k为1.44(k是经过优化获得的，一般取 值范围见技术解决方案第二条，具体优化过程见后面)，则各环带上分布的小孔直径分别为 36. 03 ii m， 27. 65 ii m， 23. 31 ii m， 20. 39 ii m， 18. 58 ii m， 17. 06 ii m， 15. 90 ii m，上述小孑L的分布 必须满足权利要求书中第二条的要求。 如图3所示，为光子筛的衍射模型示意图，其中31为入射光波，其波长为本专利技术 中的设计波长，32为光子筛所处的位置，33为焦平面，其距离为本专利技术专利中的设计焦距， 衍射模型用于光子筛的结构优化。具体优化过程如下首先根据预设的焦距和曝光光源波 长计算出波带片各环半径rn，相邻两环半径之差即为环带宽度w，然后建立光子筛的衍射模 型，以焦面上衍射光强取得最大值为原则，对小孔直径大小(即k值大小)、密度分布等因素 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种位相型光子筛，其特征在于：所述光子筛的基底为不透明金属的玻璃基底，在不透明金属的玻璃基底上分布有透光和不透光环带，在所述的透光和不透光环带上随机分布有孔，所述位相型光子筛的设计步骤如下：　　　　（１）根据所要求的光子筛的波长λ、直径Ｄ、焦距ｆ计算出相对应的菲涅尔波带片各环带的半径ｒ↓［ｎ］＝＊＊＊，相邻两环半径之差即为环带宽度ｗ↓［ｎ］，ｗ↓［ｎ］＝ｒ↓［ｎ］－ｒ↓［ｎ－１］ｎ≥２；假设波带片的中心环带为亮环，则第一个亮环宽度ｗ↓［１］＝ｒ↓［１］，以此类推，下标ｎ为奇数时对应的ｗ↓［ｎ］为亮环宽度；下标ｎ为偶数时对应的ｗ↓［ｎ］为暗环宽度，ｎ取值范围应小于波带片的总环带数，记总环带数为Ｎ，则Ｎ＝Ｄ↑［２］／４×λ×ｆ；　　　　（２）分别在透光和不透光的环带上分布的孔直径ｄ↓［ｎ］大于相应的环带宽度，则ｄ↓［ｎ］＝ｋ×ｗ↓［ｎ］（ｎ≥２），ｋ为比例系数。

【技术特征摘要】
一种位相型光子筛，其特征在于所述光子筛的基底为不透明金属的玻璃基底，在不透明金属的玻璃基底上分布有透光和不透光环带，在所述的透光和不透光环带上随机分布有孔，所述位相型光子筛的设计步骤如下(1)根据所要求的光子筛的波长λ、直径D、焦距f计算出相对应的菲涅尔波带片各环带的半径相邻两环半径之差即为环带宽度wn，wn＝rn-rn-1n≥2；假设波带片的中心环带为亮环，则第一个亮环宽度w1＝r1，以此类推，下标n为奇数时对应的wn为亮环宽度；下标n为偶数时对应的wn为暗环宽度，n取值范围应小于波带片的总环带数，记总环带数为N，则 <mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac> <msup><mi>D</mi><mn>2</mn> </m...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋文波，胡松，赵立新，徐锋，邢嶶，杨勇，严伟，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90[]