CN101661225A - 位相型波带片光子筛 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位相型波带片光子筛，该位相波带片光子筛由中心部分的位相菲涅耳波带片圆环和包围在该位相菲涅耳波带片圆环周围的光子筛圆孔构成。所述位相菲涅耳波带片圆环和光子筛圆孔均制作在透明介质上，先在透明介质上制作位相菲涅耳波带片，在该位相菲涅耳波带片周围制作光子筛，光子筛的圆孔包围位相菲涅耳波带片的圆环。光子筛最外环小孔的直径与位相菲涅耳波带片最外环环带的宽度一致，二者都受限于微细加工得最小线宽。光子筛在制作时所基于的波带片与其内部所包围的位相菲涅耳波带片的参数相同，且每个圆孔的直径是相应环带宽度的1.5倍。利用本发明，实现了光子筛聚焦衍射光强的提高，即实现了激光束远场衍射斑的主斑能量的提升。

Description

位相型波带片光子筛

技术领域

本发明属于激光光束波面整形技术领域，特别是一种用于实现激光束在远场衍射光斑主斑能量提升的位相型波带片光子筛。该种光子筛可用于光束整形、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。

背景技术

通过各种途径对于激光衍射斑主斑进行能量提升，并且抑制旁斑的能量是实用的课题。在光束整形、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均需要极小的主斑宽度和极高的主斑能量。

位相调制技术是通过改变衍射光线传播截面的位相分布从而实现预期衍射光强分布的技术。用于进行调制的方法有多种，有固定位相分布的位相板，也有用光电晶体制成的可由电压控制位相分布的调制片。因为衍射位相板光能的利用效率最高，所以最常用。

所谓光子筛，是一种新型聚焦成像衍射光学器件，如图1所示。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，用它来对软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 with photon sieves.Nature[J]，2001.414，184-188.]。

2003年Gil and Menon报道在“光束扫描光刻”(ZPAL)系统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 and X.Zhang.Terahertz tomographic imaging with aFresnel lens[J].Opt.Photon.2002.News 13，59]。

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 zone plate(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。

位相型菲涅耳波带片，是具有浮雕表面结构的菲涅耳波带片。浮雕的厚度在波长量级，图形应尽可能接近设计值，可以实现预期的高的衍射效率。[参见二元光学，金国潘，严瑛白，邬敏贤，第四章]

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

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种位相型波带片光子筛，以实现激光束远场衍射斑的主斑能量的再提升。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种位相型波带片光子筛，该位相波带片光子筛由中心部分的位相菲涅耳波带片圆环和包围在该位相菲涅耳波带片圆环周围的光子筛圆孔构成。

上述方案中，所述位相菲涅耳波带片圆环和光子筛圆孔均制作在透明介质上，先在透明介质上制作位相菲涅耳波带片，在该位相菲涅耳波带片周围制作光子筛，光子筛的圆孔包围位相菲涅耳波带片的圆环。

上述方案中，所述光子筛最外环小孔的直径与位相菲涅耳波带片最外环环带的宽度一致，二者都受限于微细加工得最小线宽。

上述方案中，所述位相菲涅耳波带片的环数由设计决定，最外环的宽度大于加工的最小线宽。

上述方案中，所述光子筛在制作时所基于的波带片与其内部所包围的位相菲涅耳波带片的参数相同，且每个圆孔的直径是相应环带宽度的1.5倍。

上述方案中，所述光子筛环数的确定由其包围的位相菲涅耳波带片的环数决定，环数确定准则是确保最外环圆孔的直径与最外环波带片宽度一致。

上述方案中，所述各环带衍射单元和光子筛的衍射圆孔共同构成该器件的透光部分，其余部分不透光。

(三)有益效果

本发明提供的位相波带片光子筛，通过控制改变普通光子筛衍射的中间部分的圆孔变为原来的菲涅耳波带片，使通过其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。

本发明将位相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是普通的50环光子筛示意图，衍射单元是圆形衍射孔径。

图2是本发明位相型波带片光子筛实施例之一的108环位相波带片光子筛结构的示意图，衍射单元是衍射孔和透光的的环带。

图3是108环位相波带片光子筛的衍射光强和108环普通光子筛的衍射光强与径向距离的对比图；图中我们看到中心能量比，普通光子筛是0.9592，第一零点位置在9，位相型波带片光子筛的中心能量比是0.9744，第一零点位置在9。并且在相同的入射光情况下，环带光子筛的衍射光强峰值约是普通光子筛的6倍，极大地增加了衍射场的光能量。

图4是位相波带片光子筛的实验检测装置。

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明白，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。

位相型波带片光子筛是一种新型的衍射光学元件。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。

本发明提供的位相型波带片光子筛，采用较小的衍射圆孔和衍射环结构取代普通光子筛的单圆衍射孔径。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。实验验证了采用位相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。

本发明提供的这种位相波带片光子筛，由中心部分的位相菲涅耳波带片圆环和包围在该位相菲涅耳波带片圆环周围的光子筛圆孔构成。所述位相菲涅耳波带片圆环和光子筛圆孔均制作在透明介质上，先在透明介质上制作位相菲涅耳波带片，在该位相菲涅耳波带片周围制作光子筛，光子筛的圆孔包围位相菲涅耳波带片的圆环。光子筛最外环小孔的直径与位相菲涅耳波带片最外环环带的宽度一致，二者都受限于微细加工得最小线宽。光子筛在制作时所基于的波带片与其内部所包围的位相菲涅耳波带片的参数相同，且每个圆孔的直径是相应环带宽度的1.5倍。

本发明提供的这种位相波带片光子筛，是一种在透明介质上，先制作普通的位相菲涅耳波带片，在波带片周围制作普通的光子筛，光子筛的圆孔包围波带片。菲涅耳波带片是位相型的。制作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。每个小孔的直径是相应环带宽度的1.5倍。光子筛最外环小孔的直径和中心部分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。

图2是本发明位相型波带片光子筛实施例之一的108环位相型波带片光子筛结构的示意图，图中的灰色是不透光的部分，图中的白色是透光的部分，黑色也是透光的，但是位相是π。

位相型波带片光子筛描述参数有

1)波带片光子筛的中心能量比：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。

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：

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

在(1)中，x_ij，y_ij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，

(α，β是波矢k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_x f_Y必须满足条件

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。针对位相型波带片光子筛，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位相型衍射单元。

本发明给出了位相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108环的普通光子筛和108环的位相型波带片光子筛。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。这个尺寸受限于微电子的加工工艺的线宽。

两种位相板衍射比较为表1所示。普通光子筛的中心能量比是0.9592。由图3可知，位相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(单位衍射场点)
				位相型波带片光子筛	108	0.9744	9
普通光子筛	108	0.9592	9

表1

本发明的位相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是本发明的位相型波带片光子筛，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和位相型波带片光子筛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。

实验证明加入所设计的位相波带片光子筛后，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。

下面以一个108环的位相波带片光子筛为例，描述其制作方法：

1、确定激光波长和光子筛焦距，环数；

2、根据工作需要确定要制作的普通位相菲涅耳波带片；

3、按照参数制作波带片周围的光子筛。

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。这样做可以保证最外环的宽度和最外环光子筛的直径在一个尺度上，我们这里假设制作的线宽是18.2微米。假设微孔在菲涅耳波带片偶数环带，微孔的半径从大到小是：

52.0988，33.7020，26.8437，22.9765，20.4109，18.5493，17.119115.9758，15.0348，14.2427，13.5639，12.9737，12.4544，11.9929 11.5792，11.2055，10.8658，10.5553，10.2699，10.0065，9.7624，9.5353 9.3234，9.1250微米。

菲涅耳波带片位相为0的圆环位置在奇数环，分别是：0.3558-0.4357，0.5031-0.5625，0.6162-0.6656，0.7115-0.7547，0.7955-0.8343，0.8714-0.9070，0.9412-0.9743，1.0062-1.0372，1.0673-1.0965，1.1250-1.1528，1.1799-1.2064，1.2324-1.2578，1.2827-1.3071，1.3311-1.3547，1.3778-1.4006，1.4230-1.4451，1.4668-1.4882，1.5093-1.5302，1.5507-1.5710，1.5910-1.6107，1.6303-1.6496，1.6686-1.6875，1.7061-1.7246，1.7428-1.7609毫米。其余的部分是位相为π的圆环部分。

以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种位相型波带片光子筛，其特征在于，该位相波带片光子筛由中心部分的位相菲涅耳波带片圆环和包围在该位相菲涅耳波带片圆环周围的光子筛圆孔构成。

2、根据权利要求1所述的位相波带片光子筛，其特征在于，所述位相菲涅耳波带片圆环和光子筛圆孔均制作在透明介质上，先在透明介质上制作位相菲涅耳波带片，在该位相菲涅耳波带片周围制作光子筛，光子筛的圆孔包围位相菲涅耳波带片的圆环。

3、根据权利要求1所述的位相波带片光子筛，其特征在于，所述光子筛最外环小孔的直径与位相菲涅耳波带片最外环环带的宽度一致，二者都受限于微细加工得最小线宽。

4、根据权利要求1所述的位相波带片光子筛，其特征在于，所述位相菲涅耳波带片的环数由设计决定，最外环的宽度大于加工的最小线宽。

5、根据权利要求1所述的位相型波带片光子筛，其特征在于，所述光子筛在制作时所基于的波带片与其内部所包围的位相菲涅耳波带片的参数相同，且每个圆孔的直径是相应环带宽度的1.5倍。

6、根据权利要求1所述的位相型波带片光子筛，其特征在于，所述光子筛环数的确定由其包围的位相菲涅耳波带片的环数决定，环数确定准则是确保最外环圆孔的直径与最外环波带片宽度一致。

7、根据权利要求1所述的位相型波带片光子筛，其特征在于，所述各环带衍射单元和光子筛的衍射圆孔共同构成该器件的透光部分，其余部分不透光。

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