CN100485426C - 一种二元光子筛 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二元光子筛。它具有透光平面基底、基底上设有不透光薄膜，在不透光薄膜上设有透光小孔，透光小孔为平面式透光小孔和凹坑式透光小孔或者平面式透光小孔和凸台式透光小孔。本发明的有益效果：1)相对于菲涅尔波带片，光子筛上的小孔在对应的菲涅尔透光环带区域的随机分布，能够有效的抑制光轴方向的高阶衍射和横向的旁瓣效应，改善成像对比度，可以得到更为锐利的焦点；2)相对于菲涅尔波带片和振幅型光子筛，二元光子筛具有更高的衍射效率。

Description

一种二元光子筛

技术领域

本发明涉及光学元件，尤其涉及一种二元光子筛。

背景技术

光子筛是将传统的菲涅尔波带片中的透光环带用随机分布的大量透光的小孔来代替的一种新型的衍射元件(如图1所示)。相对于菲涅尔波带片，光子筛上的小孔在对应的菲涅尔透光环带区域的随机分布，能够有效的抑制光轴方向的高阶衍射和横向的旁瓣效应，改善成像对比度，可以得到更为锐利的焦点，而且相对于传统的菲涅尔波带片和二元衍射元件最外围环带宽度受加工工艺限制，光子筛外围区域(对应的菲涅尔环带通常为环带宽度接近加工工艺极限的环带)可以用大于对应菲涅尔环带宽度的小孔来等效，可以放宽对加工工艺的要求，对于相同的工艺条件可以获得更大光焦度。光子筛的这些特性使得它在高分辨率成像、超细线宽光刻技术方面有着非常好的应用前景。可应用于纳米成像，纳米光刻等高分辨显微成像中，也可应用于结构紧凑的可见光成像系统中，还可应用于轻型望远镜系统中、激光雷达成像系统中等。通过在几十微米厚的薄膜平面基底上实现二元光子筛，形成望远镜主镜，具有超轻的质量，可大大减轻望远镜的重量及加工装校难度，因此在航天领域也有应用前景。光子筛的不足之处在于它的衍射效率不高，虽然在紫外光刻中得到了成功的应用，但在成像透过率要求较高的应用中还存在能量较弱的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服衍射效率不高的缺点，提供一种二元光子筛。

它具有透光平面基底、基底上设有不透光薄膜，在不透光薄膜上设有透光小孔，透光小孔为平面式透光小孔和凹坑式透光小孔或者平面式透光小孔和凸台式透光小孔。

所述的平面式透光小孔随机分布在中心半径为r_n，宽度为w_n的环带上，平面式透光小孔的圆心分布在环带中心半径r_n上，平面式透光小孔之间不重叠，其中：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²      n＝1，2，3，......

对应r_n上的平面式透光小孔的直径为：

d_n＝w_n＝λf/2r_n；

凹坑式透光小孔或者凸台式透光小孔随机分布在中心半径为r_m，宽度为w_m的环带上，小孔的圆心分布在环带中心半径r_m上，透光小孔之间不重叠，其中：

r_m ²＝λ²(2m-1)²/4+(2m-1)λf     m＝1，2，3，......

对应r_m上的透光小孔b的直径为：

d_m＝w_m＝λf/2r_m；

其中，λ是设计波长；r_n、r_m是元件径向半径；f为二元光子筛的焦距。

凹坑式透光小孔或者凸台式透光小孔的凸台或凹槽的高度H为：

H＝λ/2(n-1)

其中，n为基底材料的折射率。

本发明的有益效果：

1)相对于菲涅尔波带片，光子筛上的小孔在对应的菲涅尔透光环带区域的随机分布，能够有效的抑制光轴方向的高阶衍射和横向的旁瓣效应，改善成像对比度，可以得到更为锐利的焦点；

2)相对于菲涅尔波带片和振幅型光子筛，二元光子筛具有更高的衍射效率。

附图说明

图1是采用平面式透光小孔和凹坑式透光小孔的二元光子筛结构示意图；

图2是采用平面式透光小孔和凸台式透光小孔的二元光子筛结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，二元光子筛具有透光平面基底1、基底上设有不透光薄膜2，在不透光薄膜上设有透光小孔，透光小孔为平面式透光小孔3和凹坑式透光小孔4或者平面式透光小孔3和凸台式透光小孔5。

平面式透光小孔3随机分布在中心半径为r_n，宽度为w_n的环带上，平面式透光小孔的圆心分布在环带中心半径r_n上，平面式透光小孔之间不重叠，其中：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²        n＝1，2，3，......             (1)

对应r_n上的平面式透光小孔的直径为：

d_n＝w_n＝λf/2r_n；                                     (2)

凹坑式透光小孔4或者凸台式透光小孔5随机分布在中心半径为r_m，宽度为w_m的环带上，小孔的圆心分布在环带中心半径r_m上，透光小孔之间不重叠，其中：

r_m ²＝λ²(2m-1)²/4+(2m-1)λf    m＝1，2，3，......      (3)

对应r_m上的透光小孔b的直径为：

d_m＝w_m＝λf/2r_m；                                     (4)

其中，λ是设计波长；r_n、r_m是元件径向半径；f为二元光子筛的焦距。

凹坑式透光小孔4或者凸台式透光小孔5的凸台或凹槽的高度H为：

H＝λ/2(n-1)                                    (5)

其中，n为基底材料的折射率。

凸台和凹槽通过设计掩膜，在基底上涂胶后通过光刻将掩膜图形转移到胶层上，然后通过等离子体刻蚀或者溶液腐蚀加工而得到。

实施例1

如图1所示为一个二元光子筛实例。此二元光子筛的设计参量为：光子筛口径Φ＝80mm，F^#＝8，基底材料为K9玻璃，厚度为2mm的玻璃片，设计波长为532nm；经过计算，此二元光子筛有2347个环带周期(由平面式透光小孔和凹槽式透光小孔组成)，得到二元光子筛的平面式透光小孔和凹槽式透光小孔的分布；根据平面式透光小孔的分布制作第一块掩膜，根据凹槽式透光小孔的分布制作第二块掩膜，两块掩膜之间设有对准标记。第一步将玻璃基片蒸镀一层铬膜，然后将镀有铬膜的面上涂胶，用第一块掩膜光刻，显影定影后，用溶液将光刻后暴露出的铬膜去除掉就得到平面式透光小孔；第二步，将基片清洗干净后，重新涂胶，然后用第二块掩膜光刻，显影定影后，在等离子体刻蚀设备上加工或者是通过溶液腐蚀，刻蚀深度为0.44微米，去除多余的胶层就得到了凹槽式透光小孔。经过上述过程就可以得到按设计要求的平面式透光小孔和凹槽式透光小孔组成的二元光子筛。

实施例2

如图2所示为一个二元光子筛实例。此二元光子筛的设计参量为：光子筛口径Φ＝80mm，F^#＝10，基底材料为K9玻璃，厚度为2mm的玻璃片，设计波长为532nm；经过计算，此二元光子筛有1878个环带周期(由平面式透光小孔和凸台式透光小孔组成)，得到二元光子筛的平面式透光小孔和凸台式透光小孔的分布；根据平面式透光小孔的分布制作第一块掩膜，根据凸台式透光小孔的分布制作第二块掩膜，两块掩膜之间设有对准标记。第一步将玻璃基片上涂胶，胶层的厚度要大于0.5微米，用第二块掩膜光刻，显影定影后，等离子体刻蚀设备上刻蚀深度为0.44微米，然后将刻蚀的表面蒸镀一层铬，将多余保护胶层去除掉，就得到凸台式透光小孔；第二步，将基片清洗干净后，重新涂胶，然后用第一块掩膜光刻，显影定影后，在溶液中去除暴露出来的铬层，去除多余的胶层就得到了平面式透光小孔。经过上述过程就可以得到设计要求的平面式透光小孔和凸台式透光小孔组成的二元光子筛。

Claims (4)

1.一种二元光子筛，其特征在于具有透光平面基底(1)、基底上设有不透光薄膜(2)，在不透光薄膜上设有透光小孔，透光小孔为平面式透光小孔(3)和凹坑式透光小孔(4)或者平面式透光小孔(3)和凸台式透光小孔(5)。

2.根据权利要求1所述的一种二元光子筛，其特征在于所述的平面式透光小孔(3)随机分布在中心半径为r_n，宽度为w_n的环带上，平面式透光小孔的圆心分布在环带中心半径r_n上，平面式透光小孔之间不重叠，其中：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²       n＝1，2，3，......

对应r_n上的平面式透光小孔的直径为：

d_n＝w_n＝λf/2r_n，

其中，λ为设计波长、f为二元光子筛的焦距。

3.根据权利要求1所述的一种二元光子筛，其特征在于所述的凹坑式透光小孔(4)或者凸台式透光小孔(5)随机分布在中心半径为r_m，宽度为w_m的环带上，小孔的圆心分布在环带中心半径r_m上，透光小孔之间不重叠，其中：

rm²＝λ²(2m-1)²/4+(2m-1)λf       m＝1，2，3，......

对应r_m上的透光小孔的直径为：

d_m＝w_m＝λf/2r_m，

其中，λ是设计波长、f为二元光子筛的焦距。

4.根据权利要求1所述的一种二元光子筛，其特征在于所述的凹坑式透光小孔(4)或者凸台式透光小孔(5)的凸台或凹槽的高度H为：

H＝λ/2(n-1)

其中，λ是设计波长、n为基底材料的折射率。

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