CN103293677A

CN103293677A - 匀光器及其制作方法

Info

Publication number: CN103293677A
Application number: CN2012100465743A
Authority: CN
Inventors: 谢长青; 翁永超; 朱效立; 高南; 刘明
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: CN103293677B

Abstract

本发明实施例公开了一种匀光器及其制造方法，所述匀光器为多个环带光子筛单元组成的阵列，所述环带光子筛单元包括波带片和所述波带片的不透光环带上随机分布的透光孔。通过基本单元的波带片及波带片的不透光环带上的透光孔，实现了位相型的衍射元件，将光束分成了多个细小的光束，每个小的光束内部的能量分布均匀，将所有的小光束累积叠加，得到了在某一位置能量均匀分布的光斑，实现光束远场的波前平顶化，以及光束的在聚焦和远场的扩散，从而实现了光束的匀光，提高衍射效率。

Description

匀光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及衍射光学元件领域，更具体地说，涉及一种匀光器及其制作方法。

背景技术

均光器是一种改变入射光束波前，例如高斯波前和不规则波前激光束，以使得入射光束转变为接近于平面波前的光束的光学器件，在各种光路中有着广泛的应用，例如在光束整形和微电子无掩膜刻蚀仪器等等。

目前，常用的匀光器有棱镜法、反射镜法、万花筒法、柱面镜法以及阵列匀光器等等。其中，阵列匀光器是基于数学积分原理设计的，其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，将所有的细小的光束累积叠加，就得到了在某一位置能量均匀分布的光斑，常见的阵列匀光器的基本阵列单元为透镜和波带片，具有较好的均匀光照效果，波带片由透明和不透明环带交替组成，典型的如菲涅耳波带片。

而通过提出性能更优的基本阵列单元来组成阵列匀光器，提供近似平面的衍射光束，有助于提高衍射效率，优化匀光器的性能。

发明内容

本发明实施例提供一种匀光器及其制作方法，提供近似平面的衍射光束，提高衍射效率。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种匀光器，为多个环带光子筛单元组成的阵列，所述环带光子筛单元包括波带片和所述波带片的不透光环带上随机分布的透光孔。

可选地，所述阵列的大小不小于入射的光束的孔径。

可选地，所述波带片的每一个环带的中心半径为r_n、宽度为w_n，其中，r_n ²＝2nfλ+n²λ²，w_n＝λ/2r_n，λ为入射光的波长，f为环带光子筛单元的焦距。

可选地，所述透光孔的直径等于该透光孔所在环带的宽度。

可选地，所述波带片由透光基底及其上覆盖的环带的不透光膜组成，透光孔为环带的不透光膜上的通孔。

此外，本发明还提供了上述匀光器的制造方法，包括：

提供透光衬底；

在所述透光衬底上覆盖不透光膜；

图案化所述不透光膜，以形成透光环带和不透光环带间隔组成的波带片以及所述不透光环带上随机分布的透光孔。

可选地，所述不透光膜为不透光金属膜。

可选地，采用接触式光刻法进行图案化。

可选地，所述透光孔的直径等于该透光孔所在环带的宽度。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例的匀光器及其制造方法，通过波带片及波带片的不透光环带上的透光孔，实现了位相型的衍射元件，将光束分成了多个细小的光束，每个小的光束内部的能量分布均匀，将所有的小光束累积叠加，就得到了在某一位置能量均匀分布的光斑，实现光束远场的波前平顶化，以及光束的在聚焦和远场的扩散，从而实现了光束的匀光，提高衍射效率。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为根据本发明实施例的环带光子筛单元的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的由环带光子筛单元组成的阵列的匀光器的示意图；

图3为使用本发明实施例的匀光器的试验检测装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

为了提供近似平面的衍射光束，提高衍射效率，本发明提供了一种匀光器，参考图1和图2所示，为多个环带光子筛单元200组成的阵列300，所述环带光子筛单元200包括波带片100和所述波带片的不透光环带100-2上随机分布的透光孔110。

本发明为阵列匀光器，通过基本单元的波带片及波带片的不透光环带上的透光孔，实现了位相型的衍射元件，将光束分成了多个细小的光束，每个小的光束内部的能量分布均匀，将所有的小光束累积叠加，得到了在某一位置能量均匀分布的光斑，实现光束远场的波前平顶化，以及光束的在聚焦和远场的扩散，从而实现了光束的匀光，提高衍射效率。

为了更好地理解本发明，以下将从具体的实施例进行详细的描述。

在本发明的实施例中，所述阵列300的大小可以根据入射光束的孔径来选择，使得入射光的孔径小于阵列的幅度，这样，能够使入射光束完全照射到匀光器上。

在阵列排布上，环带光子筛单元200的最外环相接排列构成矩形阵列，在环带光子筛单元之间的部分120为透光或不透光，在一个实施例中，为不透光。

波带片100可以为菲涅尔波带片，其透光环带100-1可以是奇数环或偶数环，相应地，不透光环带100-2为偶数环或奇数环，不透光环带100-2上具有透光孔110，透光孔110为随机分布的，也就是说，对透光孔110的数量和分布不做限定，但透光孔110之间并不重叠。

在一个具体的实施例中，波带片由透光基底及透光基底上覆盖的环带的不透光膜组成，透光孔为穿透环带的不透光膜上的通孔，波带片上透光部分的环带的相位为π，透光孔所在的环带的相位为0，在不透光环带上的透光孔也通过透明基底透光，形成了位相型的衍射元件。也就是说，本发明的环带光子筛单元中透光的部分包括波带片的透光环带以及不透光环带上的透光孔。透光基底的材料例如石英、普通玻璃或有机玻璃等等，不透光膜的材料可以为不透光的金属，例如铬、金、铝或铜等等。该实施例的匀光器同半导体工艺兼容，易于实现。

由于在波带片的不透光环带上具有随机分布的透光孔，这样，在随机分布的透光孔之间可以形成干涉，从而有效地抑制光轴方向的旁瓣小于和高阶衍射，有效地提高衍射效率，而且，由于透光部分与不透光部分间的成像对比度高，也提高了衍射效率。

在本发明中，可以根据具体的设计需要设计环带光子筛单元中环带的半径、宽度和透光孔等参数，在本发明的优选实施例中，波带片的每一个环带的中心半径为r_n、宽度为w_n，其满足以下公式：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²

w_n＝λ/2r_n

其中，λ为入射光的波长，f为环带光子筛单元的焦距。

以上为优选的实施例中，波带片的透光环带和不透光环带的宽度和半径的限定条件，更优地，对于中心半径为r_m的不透光环带上随机分布的透光孔的直径d_m等于该不透光环带的宽度w_m，即，在r_m ²＝2mfλ+m²λ²时，对应的透光孔直径d_m＝w_m＝λ/2r_m，m≤n，也就是说，透光孔的直径可以限定为该透光孔所在环带的宽度，为相应环带的一倍光子筛。对于该优选的实施例的阵列单元，可设计的环带孔数更多，能够在提高衍射效率的同时，增加参量的个数，有利于衍射光学元件的进一步优化。

在一个具体的实施例中，匀光器的环带光子筛单元为石英基底上覆盖了具有随机分布的透光孔的金属铬膜环带，所述匀光器为11*11的环带光子筛单元的阵列，石英基底的直径为2英寸，环带光子筛单元的尺寸为0.22mm，波带片的总环数为34环，入射光波长为355nm，焦距为0.1m，最外层环带的宽度为1.616um。此处的实施例仅为示例，本发明并不限于此，本领域技术人员可以根据具体的设计需要设计具体的匀光器。

以上对本发明的匀光器及其实施例进行了详细的描述，本发明的匀光器通过波带片及波带片的不透光环带上的透光孔，实现了位相型的衍射元件，实现非平面波前的平顶化，实现光束的云光，提高衍射的效率。

此外，本发明还提供了上述匀光器的制造方法，包括：

提供透光衬底；

在所述透光衬底上覆盖不透光膜；

在具体的实施例中，首先，提供透光衬底。所述透光衬底可以为英、普通玻璃或有机玻璃等等不透光材料。

而后，在所述透光衬底上覆盖不透光膜。

可以通过淀积不透光的金属材料来形成不透光膜，不透光的金属材料例如铬、金、铝或铜等等。

而后，图案化所述不透光膜。

可以通过刻蚀工艺，例如接触式光刻法，对所述不透光膜进行刻蚀，去除部分不透光膜，形成暴露出透光衬底的环带和透光孔，从而形成透光环带和不透光环带间隔组成的波带片以及所述不透光环带上随机分布的透光孔，即，刻蚀去除的部分形成阵列匀光器及其单元的透光部分，仍被不透光膜覆盖的部分为不透光部分。

对于形成的波带片中环带的尺寸，优选地，波带片的每一个环带的中心半径为r_n、宽度为w_n可以为：r_n ²＝2nfλ+n²λ²，w_n＝λ/2r_n，其中，λ为入射光的波长，f为环带光子筛单元的焦距。更优地，所述透光孔的直径等于该透光孔所在环带的宽度。

至此，形成了本发明实施例的匀光器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

对于以上实施例中的匀光器，可以通过如图3所示的模拟试验检测装置进行调试和试验，该模拟试验检测装置包括依次设置的准直激光器1、聚焦透镜2、本发明实施例的匀光器3和CCD光电探测器4。从准直激光1发出的光经过聚焦透镜2和匀光器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。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种匀光器，为多个环带光子筛单元组成的阵列，其特征在于，所述环带光子筛单元包括波带片和所述波带片的不透光环带上随机分布的透光孔。

2.根据权利要求1所述的匀光器，其特征在于，所述阵列的大小不小于入射的光束的孔径。

3.根据权利要求1所述的匀光器，其特征在于，所述波带片的每一个环带的中心半径为r_n、宽度为w_n，其中，r_n ²＝2nfλ+n²λ²，w_n＝λ/2r_n，λ为入射光的波长，f为环带光子筛单元的焦距。

4.根据权利要求3所述的匀光器，其特征在于，所述透光孔的直径等于该透光孔所在环带的宽度。

5.根据权利要求1所述的匀光器，其特征在于，所述波带片由透光基底及其上覆盖的环带的不透光膜组成，透光孔为环带的不透光膜上的通孔。

6.一种匀光器的制造方法，其特征在于，包括：

提供透光衬底；

在所述透光衬底上覆盖不透光膜；

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述不透光膜为不透光金属膜。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，采用接触式光刻法进行图案化。

9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述波带片的每一个环带的中心半径为r_n、宽度为w_n，其中，r_n ²＝2nfλ+n²λ²，w_n＝λ/2r_n，λ为入射光的波长，f为环带光子筛单元的焦距。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述透光孔的直径等于该透光孔所在环带的宽度。