CN102313918A

CN102313918A - 一种光子筛

Info

Publication number: CN102313918A
Application number: CN 201010227193
Authority: CN
Inventors: 谢常青; 潘一鸣; 朱效立; 刘明
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-11

Abstract

本发明公开了一种光子筛，包括透光衬底和镀在该透光衬底上的不透光金属薄膜，所述不透光金属薄膜上分布有多个透光圆孔，所述圆孔呈环带状分布。所述环带半径为r_m、环带宽度为w_m，其中：r_m ²＝2mfλ+m²λ²；对应r_m上的透光圆孔的直径为：

其中λ为波长，f为焦距，m为圆孔所在环带的环数，最内环为第一环。利用本发明，克服了其衍射效率不高的缺陷，最大化地提高了衍射效率。

Description

一种光子筛

技术领域

本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种光子筛。

背景技术

光子筛是基于菲涅耳波带片的一种新型的衍射光学元件，它将菲涅耳波带片上亮环对应的区域用大量随机分布的透光小孔来代替，小孔的直径为相应波带片环带宽度的1.5倍。这些位置随机分布的透光小孔使得衍射光之间相互干涉，从而能够有效地抑制旁瓣效应和高级衍射，提高分辨率，得到更为锐利的焦斑。

传统波带片在成像领域的分辨率取决于它的最外环宽度，该尺寸受到加工工艺的限制因而分辨率难以得到进一步的提高。

光子筛由于其最外环小孔直径为对应波带片环宽的1.5倍，因此可以放宽对加工工艺的要求，进而制作更大口径的光子筛，提高了数值孔径，从而提高成像的分辨率。

光子筛的重量比相同参数的波带片更轻，因而在航天望远镜领域有着更加广阔的前景。光子筛的这些特性使得它在高分辨率成像、亚波长光刻、显微镜技术方面有着非常好的应用前景。

虽然大口径光子筛在紫外望远镜成像领域有着广阔的应用前景，但是其存在衍射效率低，成像对比度不好的缺陷。

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光子筛，以克服其衍射效率不高的缺陷，最大化地提高衍射效率。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种光子筛，包括透光衬底和镀在该透光衬底上的不透光金属薄膜，所述不透光金属薄膜上分布有多个透光圆孔，所述圆孔呈环带状分布。

上述方案中，所述环带半径为r_m、环带宽度为w_m，其中：

r_m ²＝2mfλ+m²λ²；

对应r_m上的透光圆孔的直径为：

d_{m} = \sqrt{2} w_{m} = \sqrt{2} λf / 2 r_{m};

其中λ为波长，f为焦距，m为圆孔所在环带的环数，最内环为第一环。

上述方案中，所述透光衬底采用的材料为透光材料。所述透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。

上述方案中，所述不透光金属薄膜采用的材料为铬、金、铝或铜。所述不透光金属薄膜的厚度大于60nm。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果为：

普通光子筛透光圆孔的半径为相应波带片环带宽度的1.5倍，本发明所述光子筛上的透光圆孔半径为相应波带片环带宽度的

倍。经过比较发现，当透光圆孔半径为相应波带片环带宽度的

倍的时候，光子筛能够获得最高的衍射效率，克服了其衍射效率不高的缺陷，最大化地提高了衍射效率。

附图说明

图1为本发明提供的光子筛结构示意图；

图2为本发明提供的单个圆孔结构示意图；

图3为本发明提供的光子筛的圆孔选取不同半径时的聚焦特性图；

图4为本发明提供的光子筛制作方法流程图。

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。

如图1所示，图1为本发明提供的光子筛结构示意图。该光子筛包括透光石英衬底和镀在其上的不透光金属铬薄膜，该透光衬底采用的材料还可以为普通玻璃或有机玻璃等透光材料，该不透光金属薄膜采用的材料还可以为金、铝或铜等不透光金属。

在图1中，白色孔为透光圆孔2；黑色区域为不透光区域1，即不透光的金属铬薄膜。所述不透光金属薄膜的厚度大于60nm。所述不透光的金属铬薄膜1上分布若干透光圆孔2；所述圆孔呈环带状分布。

所述环带半径为r_m、环带宽度为w_m，其中：

r_m ²＝2mfλ+m²λ²；

对应r_m上的透光圆孔的直径为：

d_{m} = \sqrt{2} w_{m} = \sqrt{2} λf / 2 r_{m};

所述石英衬底的直径为6.25cm，光子筛直径为17.75mm，环带数为370环，对应入射波长为355nm，焦距为0.3m。最外层环带上的透光圆孔直径为

本发明将每层环带上的圆孔直径设计为对应环带宽度的

倍，是通过单孔的透射函数计算得出的。

如图2所示，当圆孔直径变大时，多出来的白色部分其透射光相位相差在0～π/2之间，在远场干涉后能够叠加增强，多出来的阴影部分其透射光相位相差在-π/2～0之间，在远场干涉能够叠加减弱。随着边长的增加，叠加增强部分的面积增加率不变，而叠加减弱部分的面积增加率由少变多，当二者面积增加率相同的时候，远场的透射率能够取到最大值。经过计算可得，当圆孔半径增加dx时，叠加增强部分增加的面积可近似为一矩形，其增加的面积dS₊＝l₂·d_x；同理，叠加减弱部分增加的面积也可近似为一矩形，其增加的面积dS_-＝l₁·d_x。当l₁＝l₂时，二者相等。此时圆孔应具有最大的透射率。经计算，此时圆孔的直径

即当圆孔直径为对应环带的

倍时，透射率最大。

如图3所示，为本发明实施例中选取不同直径的圆孔光子筛的聚焦特性图。可以看到，当圆孔直径为环带宽度的

倍时(即a/w＝1.414时)，衍射效率最大，比率增加或者减少，衍射效率都会下降。这说明我们设计的这种光子筛具有最大的衍射效率。相对于普通光子筛(a/w＝1.5)，采用这种设计方法的光子筛能够提高15％的衍射效率。

如图4所示，图4为本发明实施例中光子筛的制作方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：设计版图；

步骤2：根据设计的版图制作得到光学光刻掩膜版；

步骤3：在透光衬底上蒸镀一层金属薄膜；

步骤4：在透光衬底上涂覆光刻胶，用光学光刻掩膜版进行光学光刻，显影定影后，采用湿法或者干法腐蚀的方法将光刻后暴露出来的金属薄膜去除，即得到方孔光子筛。

本发明的光子筛设计方法中采用将圆孔的直径设计为对应环带宽度的

倍，而普通光子筛的圆孔直径为对应环带宽度的1.5倍。采用这种设计的光子筛最大化地提高了单孔的透射率因而使得光子筛获得了最大的衍射效率，比普通的光子筛提高了15％的衍射效率。

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

1.一种光子筛，包括透光衬底和镀在该透光衬底上的不透光金属薄膜，其特征在于，所述不透光金属薄膜上分布有多个透光圆孔，所述圆孔呈环带状分布。

2.根据权利要求1所述的光子筛，其特征在于，所述环带半径为r_m、环带宽度为w_m，其中：

r_m ²＝2mfλ+m²λ²；

对应r_m上的透光圆孔的直径为：

d_{m} = \sqrt{2} w_{m} = \sqrt{2} λf / 2 r_{m};

3.根据权利要求2所述的光子筛，其特征在于，所述透光衬底采用的材料为透光材料。

4.根据权利要求3所述的光子筛，其特征在于，所述透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。

5.根据权利要求1所述的光子筛，其特征在于，所述不透光金属薄膜采用的材料为铬、金、铝或铜。

6.根据权利要求5所述的光子筛，其特征在于，所述不透光金属薄膜的厚度大于60nm。