CN102023387A - 阵列环带光子筛匀光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列环带光子筛匀光器及其制作方法。该阵列环带光子筛匀光器是一种在透明介质上制造的环带光子筛阵列，采用环带光子筛作为阵列的基本单元。该环带光子筛由多条同心的衍射孔环带与多条同心的刻蚀圆环环带交替嵌套而成，且与该环带光子筛中心距离最近的是一衍射孔环带；衍射孔环带的宽度与刻蚀圆环环带的宽度分别由该环带光子筛中心向外逐渐递减，且衍射孔环带的宽度与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等，且每个透光孔的大小和相应的刻蚀位相环带宽度相同。利用本发明，实现了将高斯光束和其他波前不均匀激光束变换为波前近似平面的衍射光束。

Description

阵列环带光子筛匀光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及激光光束波面整形技术领域，特别是一种用于实现高斯波前和不规则波前激光束在远场衍射光场的波前平顶化，即实现接近于平面波前分布的光场的阵列环带光子筛匀光器及其制作方法。该种阵列环带光子筛匀光器可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀和其它需要平面波前的各种光路中。

背景技术

通过各种途径对于高斯波前和不规则波前激光束进行匀光，使得光束变换成为接近于平面波前的光束是一个实用的课题，在各种光路中都有广泛的应用，比如在光束整形、微电子无掩模刻蚀和其它需要平面波前的各种仪器中。能够实现这种功能的光学器件统称为匀光器。

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。

所谓匀光器，也称为匀束器，是一种改变入射光束波前以实现类似平面波前光束的光学器件。一般的匀光器包括：

棱镜法：工作原理为当一束光强分布近似高斯函数的准平行激光束，通过棱镜时，光束被四面棱镜分成四束光束，四束光束在X-Y面上叠加后，光束分布均匀性有较好改善。在X-Y面上的一点的(x，y)，经过四面棱镜后，X-Y面上的光强变化百分比小于3％，激光传输率可达94％，用棱镜法可以获得输出光束很好的均匀效果和较高的激光传输率，但棱镜法的均匀效果仅在输入光束严格对称时才获得理想的效果，并且获得均匀光束截面的位置极严格的对应于光楔的角度。

反射镜法：工作原理为当一束光强分布近似高斯函数的准平行激光束经过透镜L₁聚焦到反射镜M₁上，经过一次反射后，其能量分布将按照图1-2所示发生光束方向的改变和能量叠加现象，同样经过透镜L₂和反射镜M₂后，光束将再一次叠加。这样经过多次的光束叠加后，其初始的高斯光束能量分布将被均匀化。用反射镜法也可以获得输出光束很好的均匀效果和较高的激光传输率，但反射镜法的装配和调试极为困难。

万花筒法：工作原理为当光强分布为近似高斯分布的入射光以最大入射角θ_max进入光波导后，只有和透镜光轴平行的或和光轴成一较小夹角的光线不经过反射直接通过波导管，其余入射光的光线将在波导管内产生反射到达输出面的不同点上。万花筒法制作、装调简易，成本大大降低，能方便地改变输出光斑的大小，但此系统的传输损耗较大。

柱面镜法：方法原理为由四片柱面镜围成一个中空的方形结构，每片柱面镜安装在一个精细调整架上，通过调节可以控制中空部分的尺寸和形状，激光照射在装置上，中空部分激光直接透过，照射在边缘柱面透镜上的光将补偿到中间光的弱光强部分，通过计算柱面镜的参数和适当调节调整旋钮，就能得到均光效果，这种方法的优点是光束透过率较高，均光效果较好，但设计人员要求较高，设计人员需要计算镜片参数及设计高精度的微调机构。

复眼透镜列阵法：原理为蝇眼透镜阵列聚光系统光路，由m×m片焦距和尺寸相同的小透镜组成的方形透镜阵列L，透镜列阵L把入射的准直光束波面分割成m²束子光束，在靶面上形成的光强分布实际是球面聚光镜将各子光束会聚在其焦平面上的光强的积分。使用透镜阵列聚光系统，即使在入射光束近场分布均匀性很差的情况下，仍然可以在焦平面上得到均匀的光照效果。

阵列匀光器，又称为阵列匀束器，是基于数学积分原理设计的，其可将光束分成无限多个细小的光束，每个细小的光束内部的能量分布是均匀的，将所有的小光束累计叠加，就得到了在某一位置能量均匀分布的光斑。[参见，Lin ying，Lawrence Geoge N，Buck Jesse.Charaterization of excimerlasers for application to lenslet array homogenizer[J]，Applied Optics，2001，49(12)：1931-1941]。阵列匀光器的基本阵列单元可以是透镜，即上述的复眼透镜阵列法，也可以是菲涅尔波带片[参见刘勋，陈涛，左铁钏，应用于准分子激光波面整形的二元光学元件的设计研究，中国激光(专刊)，2008年3月。]

所谓光子筛，是一种新型聚焦成像衍射光学器件，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.Sharperimages by focusing soft X-ray with photon sieves.Nature[J]，2001.414，184-188.]。

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)。

环带光子筛[jia jia，xie changqing，Phase zone photon sieve，ChinesePhysics B，vol 18No1，2009]是一种新发明的光子筛器件的变种，它有比光子筛更好的性能。可以在很多地方替代光子筛。该种环带光子筛正在申请专利中。

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阵列环带光子筛匀光器及其制作方法，以实现将高斯光束和其他波前不均匀激光束变换为波前近似平面的衍射光束。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种阵列环带光子筛匀光器，该阵列环带光子筛匀光器是一种在透明介质上制造的环带光子筛阵列，阵列的大小能够使得入射的光束完全被阵列所容纳，采用环带光子筛作为阵列的基本单元。

上述方案中，该环带光子筛由多条同心的衍射孔环带与多条同心的刻蚀圆环环带交替嵌套而成，且与该环带光子筛中心距离最近的是一衍射孔环带；衍射孔环带的宽度与刻蚀圆环环带的宽度分别由该环带光子筛中心向外逐渐递减，且衍射孔环带的宽度与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等，这样在波带片的奇数环带和偶数环带都有透光部分，分别是奇数环的透光孔和偶数环的刻蚀位相环带，或者偶数环的透光孔和奇数环的刻蚀位相环带，且每个透光孔的大小和相应的刻蚀位相环带宽度相同。

上述方案中，该环带光子筛在小孔和环带的地方透光，其余部分不透光，不透光的地方镀上铬膜。

为达到上述目的，本发明还提供了一种制作阵列环带光子筛匀光器的方法，该方法利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术实现，包括：

利用电子束直写法制作出母版；

通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；

利用感应耦合等离子刻蚀技术，将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中。

上述方案中，所述通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上的步骤中，所述接触曝光的复制误差小于0.5μm，所采用的光刻胶为Shipley s1818，厚度为1.8μm。

上述方案中，所述将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中的步骤中，所采用的刻蚀气体为三氟甲烷CHF₃，流量为30SCCM，RF功率为500W，偏置功率为200W，对石英基底的刻蚀速率为0.077μm/min。

(三)有益效果

本发明提供的阵列环带光子筛匀光器，是基于数学积分原理设计的，其可将光束分成无限多个细小的光束，每个细小的光束内部的能量分布是均匀的，将所有的小光束累计叠加，就得到了在某一位置能量均匀分布的光斑。该种阵列匀光器的基本单元环带光子筛，是一个位相型的衍射元件，它的单独功能是实现入射到其上的光束在远场的波前平顶化，而且入射光束入射到该基本单元后，实现了光束的再聚焦和远场的扩散，从而实现了阵列器件的匀光，将高斯光束和其他波前不均匀激光束变换为波前近似平面的衍射光束。

附图说明

图1是阵列环带光子筛匀光器的基本衍射单元，环带光子筛的示意图。图中黑色为透光部分，位相为π，白色圆孔透光的部分位相为0，灰色为不透光的部分，铬膜。该环带光子筛是基于10环菲涅尔波带片的环带光子筛。圆孔直径和相应菲涅尔波带片圆环宽之比为1。

图2是本发明阵列环带光子筛匀光器实施例之一的10×10阵列光子筛匀光器的示意图，衍射单元是图1；

图3一束高斯光束入射到阵列环带光子筛匀光器的示意图。

图4是10×10阵列菲涅尔波带片匀光器的示意图。该种匀光器的基本衍射单元式菲涅尔波带片，该种匀光器已公开发表。本发明列出这种匀光器的目的是把本发明的阵列环带光子筛环匀光器和阵列菲涅耳波带片匀光器进行对比，从而证明本发明的匀光结果优于阵列菲尼尔波带片匀光器。

图5一束高斯光束入射到阵列菲涅尔波带片匀光器的示意图。

图6高斯光束不入射到任何匀光器，入射到阵列菲涅尔波带片匀光器，入射到阵列环带光子筛匀光器的衍射光束的强度对比图。从图中可以明显看出：不入射到任何匀光器，高斯光束的光强度分布是一条高斯曲线。两种匀光器都是实现了对高斯光束的匀光，但是本发明提供的阵列环带光子筛匀光器的匀光效果要比现有的阵列菲涅尔波带片匀光器的匀光效果要好。因为它实现了更接近于平面波前的衍射光束。

图7是阵列环带光子筛匀光器的实验检测装置。

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。

阵列环带光子筛匀光器是一种新型的衍射光学位相元件，即位相板。该位相板放置于衍射极限透镜之前或之后，对激光束远场衍射光场进行修正，即匀光，实现比入射光束不规则波前(比如高斯光束)更接近于平面波前的衍射光束。本发明给出了阵列环带光子筛匀光器的设计结构，并进行了相关模拟实验。实验验证了采用阵列环带光子筛匀光器可以实现高斯光束波前的平顶化，即把高斯光束变换成为波前接近于平面波前的衍射光束。本发明技术可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀和其它需要平面波前光束的各种光路中。

本发明提供的这种阵列环带光子筛匀光器，是一种在透明介质上，根据实际需要制造的环带光子筛的阵列，阵列的大小由实际需要给出。所谓环带光子筛是该种阵列型匀光器的基本单元。该环带光子筛由多条同心的衍射孔环带与多条同心的刻蚀圆环环带交替嵌套而成，且与该环带光子筛中心距离最近的是一衍射孔环带；衍射孔环带的宽度与刻蚀圆环环带的宽度分别由该环带光子筛中心向外逐渐递减，且衍射孔环带的宽度与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等。这样在波带片的奇数和偶数环带都有透光部分，分别是奇数环的透光孔和偶数环的刻蚀位相环带，或者偶数环的透光孔和奇数环的刻蚀位相环带。每个透光孔的大小和相应的刻蚀位相环带宽度相同。所谓阵列就是重复这个光子筛的结构。

图2是本发明阵列环带光子筛匀光器实施例之一的10×10阵列光子筛匀光器的示意图，衍射单元是图1；图中黑色为透光部分，位相为π，白色透光圆孔的位相为0，灰色部分不透光。该环带光子筛是基于10环菲涅尔波带片的光子筛。圆孔直径和相应菲涅尔波带片圆环宽之比为1。

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匀光器结构的位相片，理想的高斯光束照在匀光器上。匀光器的透过率函数为S(x，y，z)：高斯光束透过匀光器光强为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)。

$E(f_x,f_Y,0)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}E(x,y,0)\exp [-j2\mathrm{\π}(f_{X}x+f_{Y}y)]\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

在(1)中，f_X，f_Y是空间频率， $f_X=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}},$ $f_Y=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\λ}}$ (α，β是波矢

与X轴，Y轴之间的夹角)。入射光经过匀光器后沿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 $f_X^2+f_Y^2\≤1/{\mathrm{\λ}}^2,$ 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 $f_X^2+f_Y^2>1/{\mathrm{\λ}}^2$ 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)

$E(x,y,z)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\∞}^{\∞}E(f_X,f_Y,0)\exp (j2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2}-f_X^2-f_Y^2}.z)\exp \left[j2\mathrm{\π}(f_{X}x+f_{Y}y)\right]{\mathrm{df}}_X{\mathrm{df}}_Y---\left(5\right)$

以上是普通角谱衍射理论，也是我们模拟匀光器沿着光路的理论基础。针对阵列环带光子筛匀光器，需要修改的就是每一个透过率函数。

本发明给出了阵列环带光子筛匀光器的设计参数。我们在图2中选择了10×10的阵列，该阵列的选择要满足一个原则：即入射光束的孔径必须小于阵列的幅度，从而能够使得入射光束能够完全照射到匀光器上。对于每一个环带光子筛基本衍射单元的设计参数如下：一般选取同参数阵列菲涅尔波带片匀光器的菲涅尔参数，然后在此基础上获得环带光子筛的参数。

本发明的阵列环带光子筛匀光器在实际的应用如7所示。1是准直激光器，2是聚焦透镜，3是本发明的阵列环带光子筛匀光器，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和阵列环带光子筛匀光器3，在聚焦透镜2的焦平面上产生衍射图。这样的衍射光束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阵列环带光子筛匀光器后，确实实现了把高斯光束变换成为接近平面波前光束的出射光。这说明本发明可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀和其它需要平面波前的各种光路中。

本发明提供的这种制作阵列环带光子筛匀光器的方法，利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术实现，具体包括以下步骤：

步骤1、利用电子束直写法制作出母版；

步骤2、通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；

步骤3、利用感应耦合等离子刻蚀技术，将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中。

上述制造阵列环带光子筛匀光器，是利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术来实现的。首先，利用电子束直写法制作出母版，通过接触式光刻法，母版图案转移到了涂有光刻胶的光学玻璃上。所采用的光刻胶为Shipley s1818，厚度为1.8μm。接触曝光的复制误差小于0.5μm。光子筛各参数在前文中已给出。按照图7的光路示意图，布置好测量光路.激光器工作波长是632.8nm。光学玻璃的折射率为1.521，因而π位相对应深度为0.607μm。利用泰勒轮廓仪来测量全环光子筛的深度为0.607μm。然后扩束、准直。在实验中，是一个10×10阵列环带光子筛匀光器，然后在聚焦光斑处放置CCD探测器，由此可观测出衍射光斑的大小。实测数据证明了理论计算的正确性。

下面以一个10×10阵列环带光子筛匀光器为例，描述其制作方法：

1)、确定激光波长和环带光子筛的焦距和环数，这些参数有实际需要给出，原则是环带光子筛环数不能太小，否则影响聚焦，也不能太大，太大的衍射基元不利于最后的匀光；

2)、根据工作需要确定激光阔束以后的光束的半径，要制作的阵列必须大于这个半径。阵列的大小由光束的大小决定。

3)、按照本文所述的方法画出匀光器的版图。

4)、制作阵列环带光子筛匀光器。

假设激光波长是632.8纳米，环带光子筛的焦距是2000微米。括束以后高斯光束的半径是180微米，选择10×10的阵列，可以满足全部要求。光子筛所基于的菲涅尔波带片的环数为10环，根据以上参数可以设计出所需要的光子筛，作为衍射基元。不透光的部分全部镀上铬。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种阵列环带光子筛匀光器，其特征在于，该阵列环带光子筛匀光器是一种在透明介质上制造的环带光子筛阵列，阵列的大小能够使得入射的光束完全被阵列所容纳，采用环带光子筛作为阵列的基本单元。

2.根据权利要求1所述的阵列环带光子筛匀光器，其特征在于，该环带光子筛由多条同心的衍射孔环带与多条同心的刻蚀圆环环带交替嵌套而成，且与该环带光子筛中心距离最近的是一衍射孔环带；衍射孔环带的宽度与刻蚀圆环环带的宽度分别由该环带光子筛中心向外逐渐递减，且衍射孔环带的宽度与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等，这样在波带片的奇数环带和偶数环带都有透光部分，分别是奇数环的透光孔和偶数环的刻蚀位相环带，或者偶数环的透光孔和奇数环的刻蚀位相环带，且每个透光孔的大小和相应的刻蚀位相环带宽度相同。

3.根据权利要求1所述的阵列环带光子筛匀光器，其特征在于，该环带光子筛在小孔和环带的地方透光，其余部分不透光，不透光的地方镀上铬膜。

4.一种制作阵列环带光子筛匀光器的方法，其特征在于，该方法利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术实现，包括：

利用电子束直写法制作出母版；

通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；

利用感应耦合等离子刻蚀技术，将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中。

5.根据权利要求4所述的制作阵列环带光子筛匀光器的方法，其特征在于，所述通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上的步骤中，所述接触曝光的复制误差小于0.5μm，所采用的光刻胶为Shipley s1818，厚度为1.8μm。

6.根据权利要求5所述的制作环带光子筛的方法，其特征在于，所述将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中的步骤中，所采用的刻蚀气体为三氟甲烷CHF₃，流量为30SCCM，RF功率为500W，偏置功率为200W，对石英基底的刻蚀速率为0.077μm/min。

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