CN106054295A - 菲涅尔‑达曼波带片 - Google Patents

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Abstract

一种菲涅尔‑达曼波带片，由透明介质、不透光金属薄膜和环状波带结构组成，在传统的菲涅尔波带片结构上引入达曼调制技术，本发明菲涅尔‑达曼波带片是一系列同心圆环结构，在平面波照明下，不需要额外的聚焦透镜，可以实现轴向多个等强度的环形阵列焦斑分布。本发明易于加工和复制，可以应用于水窗波段、光学成像和生物医学等领域。

Description

菲涅尔-达曼波带片
技术领域
本发明涉及衍射光学元件，特别是一种菲涅尔-达曼波带片，在平面波照明下，不需要额外的聚焦透镜，就可以实现轴向多个等强度的环形阵列焦斑分布。
背景技术
达曼光栅是空间坐标位置调制的位相光栅，利用特殊的孔径函数的衍射光栅产生一维或者二维的矩形等强度的阵列光束。传统的达曼光栅产生的是方形的衍射场分布，周常河等【Opt.Lett.28,2174-2176(2003)】提出的圆环形达曼光栅可在远场实现各衍射谱等峰值光强分布的圆环形的衍射场。然而，一方面，由于自身的衍射局限性，这种光栅并不能在近场上出现上述的衍射效果，一定程度上限制了它的应用；另一方面，它是纯相位的光学衍射元件，并不能直接用于X射线和极紫外线光谱区。传统的菲涅尔波带片与普通透镜类似，具有聚光性质，可在光轴上指定距离处聚焦，但是主焦点只有一个，其他次焦点的光强迅速衰减，而且，它很难产生阵列焦斑。
本发明将两个结构的特点结合，在菲涅尔波带片的结构上加上达曼调制，就可能在近场实现轴向多个等强度的环形阵列焦斑分布。
这种菲涅尔-达曼波带片可以应用于对轴向多个等强度焦斑分布有强烈需求的领域，比如大景深光学显微镜、植入式隐形眼镜和并行获捕发光镊等。此外，具有阵列照明特性的菲涅尔-达曼波带片在激光微加工、阵列聚焦和成像、激光系统等领域也有重要应用价值。
发明内容
本发明需要解决的技术问题在于提供一种菲涅尔-达曼波带片，该波带片在平面波照明下，不需要额外的聚焦透镜，就可以实现轴向多个等强度的环形阵列焦斑分布。
本发明的技术方案如下：
一种菲涅尔-达曼波带片，其特点在于：该波带片在透明介质、镀上不透光金属薄膜，在金属薄膜上刻蚀出一系列同心圆环而成，所述的同心圆环的第m环半径为：rm＝[(mλ/2)2+mλf]1/2，λ是设计波长，f是参考焦距；所述的两个同心圆环之间刻蚀的地方为透明波带，其他地方不透明；根据在焦平面产生多环光斑需要按下列规则选取刻蚀区域，所述的m为正整数：
产生2环光斑：将整个波带片分为两个区域，自内向外依次的归一化半径为0.715和1.000，在0.715倍半径以内，选取奇数环带为刻蚀区域，在0.715倍半径以外到1倍半径以内，选取偶数带为刻蚀区域；
产生3环光斑：将整个波带片分为三个区域，自内向外依次的归一化半径为0.242、0.662和1.000，在0.242倍半径以内和0.662倍半径以外，选取奇数环带为刻蚀区域，其余区域，选取偶数带为刻蚀区域。
本发明的有益效果是：
本发明菲涅尔-达曼波带片在平面波照明下，可以实现轴向多个等强度的环形阵列焦斑分布的效果，这种菲涅尔-达曼波带片是一系列同心圆环结构，易于加工和复制，可以应用于水窗波段、光学成像和生物医学等领域。
附图说明
图1是本发明菲涅尔-达曼波带片结构的侧视图。
图2(a)是产生2环光斑的菲涅尔-达曼波带片的调制区域划分示意图，归一化半径为0.715，1.000；图2(b)是产生2环光斑的菲涅尔-达曼波带片的结构示意图，白色部分对应的区域是刻蚀部分，黑色部分对应的区域代表不刻蚀。
图3(a)是产生3环光斑的菲涅尔-达曼波带片的调制区域划分示意图，调制区域的归一化外半径为0.242，0.662，1.000；图3(b)是产生3环光斑的菲涅尔-达曼波带片的结构示意图，白色部分对应的区域是刻蚀部分，黑色部分对应的区域代表不刻蚀。
图4(a)是菲涅尔-达曼波带片产生的2环光斑的轴向光强分布，图4(b)是菲涅尔-达曼波带片产生的3环光斑的轴向光强分布。
图5是菲涅尔-达曼波带片在焦平面上产生的2环光斑的光强分布。
图6是菲涅尔-达曼波带片在焦平面上产生的3环光斑的光强分布。
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，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明菲涅尔-达曼波带片实施例的结构的侧视图如图1所示，所述的菲涅尔-达曼波带片含有透明介质1、不透明的金属薄膜2和在金属薄膜上刻蚀的环带波带片结构3。在金属薄膜上划分一系列同心圆环，波带片第m环半径为rm＝[(mλ/2)2+mλf]1/2，λ是设计波长，f是参考焦距。所述的同心圆环之间刻蚀的地方为透明波带，其他地方不透明。实施例中，设计波长λ为4.2nm，参考焦距f为250μm，总环数为300。
产生2环光斑的菲涅尔-达曼波带片的区域划分示意图如图2(a)所示，归一化半径为0.715，1.000，在0.715倍半径以内，选取奇数环带为刻蚀区域，在0.715倍半径以外到1倍半径以内，选取偶数带为刻蚀区域。
产生3环光斑的菲涅尔-达曼波带片的区域划分示意图如图3(a)所示，归一化半径为0.242，0.662，1.000，在0.242倍半径以内和0.662倍半径以外，选取奇数环带为刻蚀区域，其余区域，选取偶数带为刻蚀区域。
工作波长为1.91nm的单色光照射产生2环光斑的菲涅尔-达曼波带片后，在轴向产生两个焦点，如图4(a)所示，焦距分别为183.1μm、550.6μm处。在两个焦平面上能够分别产生两环焦斑，如图5所示。
工作波长为1.00nm的单色光照射产生3环光斑的菲涅尔-达曼波带片后，在轴向产生三个焦点，如图4(b)所示，焦距分别位为209.9μm、350.2μm、1051.0μm处。在三个焦平面上能够分别产生三环焦斑，如图6所示。
实验表明，本发明菲涅尔-达曼波带片在平面波照明下，不需要额外的聚焦透镜，可以实现轴向多个等强度的环形阵列焦斑分布。本发明易于加工和复制，可以应用于水窗波段、光学成像和生物医学等领域。
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，以上所述的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 (1)

1.一种菲涅尔-达曼波带片，其特征在于：该波带片在透明介质(1)、镀上不透光金属薄膜(2)，在金属薄膜上刻蚀出一系列同心圆环(3)而成，所述的同心圆环的第m环半径为：rm＝[(mλ/2)2+mλf]1/2，λ是设计波长，f是参考焦距；所述的两个同心圆环之间刻蚀的地方为透明波带，其他地方不透明；根据在焦平面产生多环光斑需要按下列规则选取刻蚀区域，所述的m为正整数：
产生2环光斑：将整个波带片分为两个区域，自内向外依次的归一化半径为0.715和1.000，在0.715倍半径以内，选取奇数环带为刻蚀区域，在0.715倍半径以外到1倍半径以内，选取偶数带为刻蚀区域；
产生3环光斑：将整个波带片分为三个区域，自内向外依次的归一化半径为0.242、0.662和1.000，在0.242倍半径以内和0.662倍半径以外，选取奇数环带为刻蚀区域，其余区域，选取偶数带为刻蚀区域。
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