CN116149053A - 一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法 - Google Patents

Abstract

一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法，它涉及光学领域，本发明要解决极紫外波段光无法同时实现单点聚焦以及波前分割的问题，本发明的方法：设光轴与光学元件中心轴夹角为θ，单根入射光线与光学元件内表面入射点处切线方向的夹角为θ₁，单根入射光线与光轴的夹角为θ₂，单根光入射点法线与光学元件中心轴夹角为θ₃；上述角度需满足以下公式：(90°‑θ₁)+(θ₂+θ)+(180°‑θ₃)＝180°，依据上述公式调控掠入射反射的极紫外波段光与光学元件的关系，即完成所述的实现掠入射反射的极紫外波段光单点聚焦以及波前分割的方法。本发明的方法能够在获得一个很高反射率的同时，极大的减小光学畸变，同时除聚焦外具备波前分割功能，实现一定程度上的光场调控。

Description

一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法。

背景技术

极紫外波段激光一般是指波长为10-100nm的光波。由于光子能量高，理论上该波段的光能够电离任意的原子分子。该波段激光的一大特点是材料对其吸收率极高，衰减深度极短，这导致这种光无法穿透绝大部分材料。

极紫外波段激光的光场调控是该领域一大技术难点。因各种材料对该波段光源的吸收率都极高，并且折射率接近于1，因此在光学波段非常容易做到的单点聚焦、简单的光场调控等在极紫外波段都非常困难。目前在极紫外波段国际上普遍采用的是多层膜反射技术。根据布拉格公式，适当参数的多层膜结构能够以很小的入射角对入射光具有一个较高的反射率。但这所谓的“高”反射率普遍也只是接近50％。而且多层膜的制作工艺繁复，造价昂贵，容易被入射光损伤，寿命较低，并且多层膜的反射面对入射光的波长和入射角都具有选择性，也就是说对于每一种波长的每一个入射角入射条件都需要制作一个对应的多层膜材料，这在使用过程中存在很大的限制。

利用衍射方式进行聚焦等光场调控是极紫外波段的另一个较为常用的方法。如波带片等光学元件。但衍射型光学元件的衍射效率较低，损失了大部分入射光的能量。而且极紫外波段的波带片等光学元件以目前的工艺能够制作的通光孔径只能在百微米级，进一步降低了入射光的利用率。因此，虽然衍射型光学元件对于极紫外波段有较好的聚焦效果和光场调控的灵活性，但对入射光的利用率极低，也无法较好的为极紫外波段激光做光场调控。

与上述方法相比，掠入射反射的方式是能够保证入射光反射率的有效方式。在掠入射角接近或小于全反射角(全反射角

其中δ是复折射率实部，在极紫外波段是一个很小的数)范围内，能够实现一个非常高的反射率。但是传统的掠入射反射型光学元件由于是离轴的掠入射反射，导致聚焦后的光斑光学畸变极大，为后续的实验和理论分析带来很大困难。即便能够实现聚焦，且光斑光学畸变较小的效果，但受限于光学元件结构，无法同时实现极紫外波段光的波前分割，在聚焦光斑内部形成干涉条纹，从而达到除单点聚焦以外的光场调控的目的。

发明内容

本发明的目的是为了解决极紫外波段光无法同时实现单点聚焦以及波前分割的问题，而提供一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法。

本发明的一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法，所述的单点聚焦及波前分割的方法是利用光学元件通过调整极紫外波段光与光学元件的角度关系实现的，所述的方法如下：

设光轴与光学元件中心轴夹角为θ，单根入射光线与光学元件内表面入射点处切线方向的夹角为θ₁，单根入射光线与光轴的夹角为θ₂，单根光入射点法线与光学元件中心轴夹角为θ₃；上述角度需满足以下公式：

(90°-θ₁)+(θ₂+θ)+(180°-θ₃)＝180° (1)

依据上述公式调控掠入射反射的极紫外波段光与光学元件的关系，即完成所述的实现掠入射反射的极紫外波段光单点聚焦以及波前分割的方法。

进一步地，设掠入射光的全反射角为θ_c，则

所述的复折射率实部δ计算公式为：

其中，r_e为经典电子半径，N为原子密度，λ为入射光波长，f₁(ω)为原子散射因子的实部。

进一步地，设掠入射光的全反射角为θ_c；当θ₁≤θ_c时，单根光线在光学元件内表面为全反射，当θ₁>θ_c时，单根光线在光学元件内表面为非全反射。

进一步地，所述的光学元件的光源进入端的端口半径为r₁，光源射出端的端口半径为r₂，所述的极紫外波段光的入射光斑半径小于等于r₁，焦平面上的极紫外波段光的光斑半径小于等于r₂。

进一步地，所述的光学元件的内表面的面型为使掠入射反射的极紫外波段光的入射光线被全反射或接近全反射的面型。

本发明采用的光学元件调控掠入射反射的极紫外波段光需使得极紫外波段光的入射光斑半径小于等于r₁，焦平面上的极紫外波段光的光斑半径小于等于r₂，入射光光轴与元件的中心轴夹角θ与所需的反射率有关，具体讨论如下：

发生掠入射光的全反射角

其中所述的复折射率实部δ计算公式为：

为获得较高的反射率，需使光束中大部分光线入射到元件的掠入射角度小于等于或接近θ_c。在单根光线的掠入射角度大于θ_c时，反射率可以从实验和理论两方面测量或计算。实验测量方法为，分别在光线进入元件前和光线进入元件后放置能量测量仪器，经多次测量取平均值，得到光线进入元件前的能量E₀和E₁，则反射率η₁＝E₁/E₀。理论计算方法为，根据光线追迹得出入射进元件后，整个光束所涉及的θ₁的分布情况θ₁(n)，其中n为不同θ₁对应的光线能量占整个光束能量的比例。之后根据元件材料在不同掠入射角条件下对所用波长的光源的反射率数据η(θ₁)，即可计算出:

以上两种方法均可以估计元件的反射率。考虑到元件反射面具有一定粗糙度，理论计算的值一般应略大于实验测量值。

图2所示为光线入射元件内表面的情况。其中θ₁为入射光线与元件内表面入射点处切线方向(如果内表面为锥形，则为入射光线与内表面)的夹角(即掠入射角)，θ₂为在单根光线的入射光线与光轴的夹角，θ₃为在单根光线的入射点法线与元件中心轴夹角(与面型有关)，θ为在单根光线的光轴与元件中心轴夹角。则图2中各角满足如下关系：

(90°-θ₁)+(θ₂+θ)+(180°-θ₃)＝180° (1)

假设图2中光线为光束中最边缘光线，则θ₂为光束的发散角。因此各角度存在上述制约关系。在其他角度不变的条件下，θ越大，则θ₁越大。当θ₁>θ_c时，θ₁越大，则反射率越低。具体θ能够调节的范围根据使用人能够接受的反射率和想达到的波前干涉效果综合决定。其中，反射率也可通过实验测量。

本发明包含以下有益效果：

本发明的方法能够在获得一个很高反射率的同时，极大的减小光学畸变，同时除聚焦外具备波前分割功能，实现一定程度上的光场调控。由于材料对极紫外光的吸收极其严重，因此能够对极紫外波段激光进行光场调控的光学元件非常稀少。本发明能够同时实现单点聚焦以及波前分割，增加了极紫外波段激光的光场调控手段的多样性，从应用的角度看，聚焦使得波前分割产生的干涉条纹的能量密度峰值呈指数倍增加，因此能够利用单一元件所形成的聚焦的干涉条纹单次曝光在材料表面实现微纳结构的加工以及用于干涉法等离子体诊断等。

附图说明

图1为本发明的光学元件的光路示意图；

图2为本发明的入射光光轴与元件的夹角的示意图；

图3为本发明的光学元件示意图；

图4为离焦(左)和聚焦(右)的光斑对比图(同一比例尺)；

图5为光镜下检测到的46.9nm激光光场被本发明调制后，在焦点前、焦点和焦点后光斑的变化图；

图6为波前分割形成的干涉条纹被同时聚焦后在样品表面形成的百纳米周期性微纳条纹图；

图7为实验上测量的多个46.9nm激光脉冲的反射率图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例的一种基于掠入射反射的极紫外波段光场调控的光学元件，所述的光学元件为圆锥台形结构，所述的光学元件的内表面为抛物面型，设所述的光学元件的底部圆的半径为r₁，r₁为4.4mm，顶部圆的半径为r₂，r₂为2.5mm，设光轴与光学元件中心轴夹角为θ，单根入射光线与光学元件内表面入射点处切线方向的夹角为θ₁，单根入射光线与光轴的夹角为θ₂，单根光入射点法线与光学元件中心轴夹角为θ₃；上述角度需满足以下公式：

(90°-θ₁)+(θ₂+θ)+(180°-θ₃)＝180° (1)

所述的θ为0.2°，θ₂的最大值(即光束发散角)为3mrad。所述的掠入射反射的极紫外波段的波长46.9nm。

本实施例的在同一比例尺的离焦(左)和聚焦(右)的光斑对比图如图4所示，由图4可以得出，该元件在极紫外波段具有明显的聚焦效果，焦点处光斑可达百微米量级。光镜下检测到的46.9nm激光光场被本发明调制后，在焦点前、焦点和焦点后光斑的变化图如图5所示，由图5可以看出聚焦后的极紫外激光光斑在焦点处的光斑最小，在焦点前和焦点后均有不同程度的扩大，同时，能够清晰的看到波前分割的现象。波前分割形成的干涉条纹被同时聚焦后在样品表面形成的百纳米周期性微纳条纹如图6所示，图6验证了利用本实施例的方法和极紫外激光进行微纳加工的可行性。图7为实验上测量的多个46.9nm激光脉冲的反射率图，由图7可以得出该元件对极紫外波段光源的反射率可达90％以上。

Claims (5)

1.一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法，所述的单点聚焦及波前分割的方法是利用光学元件通过调整极紫外波段光与光学元件的角度关系实现的，其特征在于所述的方法如下：

设光轴与光学元件中心轴夹角为θ，单根入射光线与光学元件内表面入射点处切线方向的夹角为θ₁，单根入射光线与光轴的夹角为θ₂，单根光入射点法线与光学元件中心轴夹角为θ₃；上述角度需满足以下公式：

(90°-θ₁)+(θ₂+θ)+(180°-θ₃)＝180° (1)

依据上述公式调控掠入射反射的极紫外波段光与光学元件的关系，即完成所述的实现掠入射反射的极紫外波段光单点聚焦以及波前分割的方法。

2.根据权利要求1所述的一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法，其特征在于设掠入射光的全反射角为θ_c，则

所述的复折射率实部δ计算公式为：

其中，r_e为经典电子半径，N为原子密度，λ为入射光波长，f₁(ω)为原子散射因子的实部。

3.根据权利要求1或2所述的一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法，其特征在于设掠入射光的全反射角为θ_c；当θ₁≤θ_c时，单根光线在光学元件内表面为全反射，当θ₁>θ_c时，单根光线在光学元件内表面为非全反射。

4.根据权利要求1所述的一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法，其特征在于所述的光学元件的光源进入端的端口半径为r₁，光源射出端的端口半径为r₂，所述的极紫外波段光的入射光斑半径小于等于r₁，焦平面上的极紫外波段光的光斑半径小于等于r₂。

5.根据权利要求1或4所述的一种极紫外波段光同时实现单点聚焦及波前分割的方法，其特征在于所述的光学元件的内表面的面型为使掠入射反射的极紫外波段光的入射光线被全反射或接近全反射的面型。

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