一种单级聚焦波带片及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种单级聚焦波带片及其制造方法。本发明专利技术的波带片包括：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rm，rm2=mfλ+m2λ2/4，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。本发明专利技术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；同时本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及波带片技术，更具体的说，涉及。
技术介绍
1871 年，Rayleigh 专利技术了 Fresnel 波带片(Optics, Addison-ffesley, 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, App1. 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. Beynonj1. 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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种单级聚焦波带片，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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rm，rm2 = /』+ 2』2/4，其中』为波长，/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。本专利技术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。本专利技术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rm，rffl2 = mf^ + m2A2/4, 其中』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，本专利技术的单级聚焦波带片具有以下优点1.本专利技术的单级聚焦波带片，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.本专利技术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.本专利技术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为本专利技术实跡帕_遞樵波带Μ在判3r=1./忑沾勺國上的基元5>布；图2为根据本专利技术实施例的单级聚焦波带片的结构图和局部放大图；图3为本专利技术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不意图；图4为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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O图7为本专利技术所述单级聚焦波带片制作方法流程图；图8为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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不意图；图11为本专利技术所述单级聚焦波带片的聚焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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 rm, rm2 = mf λ + 2』2/4,其中2为波长,/为焦距,》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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹磊峰，范伟，高宇林，魏来，谷渝秋，张保汉，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：