CN101694532B - 一种位相型光子筛 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种位相型光子筛

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术解决方案为：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 $r_n=\sqrt{n\×f\×\mathrm{\λ}},$ 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w₁＝r₁，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 $N=\frac{D^2}{4\×\mathrm{\λ}\×f};$

(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，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，本发明经优化后取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π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。

本发明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。本发明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π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)本发明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为本发明的位相型光子筛的横截面示意图。

具体实施方式

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1mm，焦距为10mm。记N为波带数，则N＝D²/λ×f＝281；记r_n为各环半径，则 $r_n=\sqrt{n\×f\×\mathrm{\λ}},$ f为焦距，λ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r₁...r₁₆＝60.42μm，85.44μm，104.64μm，120.83μm，135.09μm，147.99μm，159.84μm，170.88μm，181.25μm，191.05μm，200.37μm，209.28μm，217.83μm，226.05μm，233.99μm，241.66μm；相邻两个环带半径之差即为环带宽度，记为w_n，则环带宽度依次为25.02μm，19.20μm，16.19μm，14.16μm，12.90μm，11.85μm，11.04μm，在本发明实施例中，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d_n＝k×w_n(n≥2)。在本发明实施例中，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36.03μm，27.65μm，23.31μm，20.39μm，18.58μm，17.06μm，15.90μm，上述小孔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，其波长为本发明中的设计波长，32为光子筛所处的位置，33为焦平面，其距离为本发明专利中的设计焦距，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r_n，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)、密度分布等因素进行优化，根据各环带上分布小孔的面积之和呈现一定分布为根据，确定各环带上分布小孔的数量。

本发明在此处具体优化实现过程为：本发明实施例中，曝光光源波长为355nm，焦距为10mm，比例系数取为1.44，各环带上分布小孔的面积之和呈现高斯分布，各环带分布小孔面积之和大约等于相应环带面积的63％。

如图4所示，为传统的振幅型光子筛的横截面示意图。其中，41为透明基底，两边黑色区域42为未刻蚀光子筛图形的部分；中间黑色区域44为完全不透光的金属，在本发明实施例中为金属铬，对应于菲涅尔波带片的不透光环带；白色区域43为完全透光区域，对应于菲涅尔波带片的透光环带。

如图5所示，为本发明的位相型光子筛的横截面示意图。其中，51为透明基底，两边黑色区域52为未刻蚀光子筛图形的部分；灰色区域54为相移层，通过精确控制刻蚀深度(刻蚀过程由反应离子束刻蚀工艺完成，刻蚀深度与反应气体流速、放电功率、反应室气压等因素综合控制)来保证分布在该区域上的小孔能和分布在完全透光区域上的小孔能产生π位相差，对应于菲涅尔波带片的不透光环带；白色区域53为完全透光区域，对应于菲涅尔波带片的透光环带。上述刻蚀深度为λ/2(m-1)，其中m为金属层的折射率。在本发明实施例中，取金属为铬，折射率为2.96，则刻蚀深度为355/2(2.96-1)＝90nm左右。

总之，本发明的位相型光子筛，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。

本发明未详细阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种位相型光子筛，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w_n，w_n＝r_n-r_n-1，n≥2；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

(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，且k取1.44；

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孔之间要产生π位相差；

c.各环带孔面积之和呈现高斯分布。

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