專利名稱：一種位相型光子篩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種位相型光子篩，屬于衍射光學(xué)器件或微光學(xué)元件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)今，光學(xué)成像系統(tǒng)在許多特殊重要場合正朝著超輕、超小、超分辨的方向快速發(fā) 展，常規(guī)的折射光學(xué)系統(tǒng)正逐步被折衍混合光學(xué)系統(tǒng)甚至純衍射光學(xué)系統(tǒng)所取代。衍射光 學(xué)元件因其具有體積小、重量輕、易復(fù)制、更多的設(shè)計自由度、寬廣的材料可選性、獨特的色 散性能、特殊的光學(xué)性能等優(yōu)點，在光傳感、光通信、光計算、光存儲、激光醫(yī)學(xué)、微光刻、天 文觀測等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。二元光學(xué)元件是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型 衍射光學(xué)元件，其典型代表是菲涅爾波帶片，它不僅在聚光方面類似于普通透鏡，而且在成 像方面也類似于普通透鏡。但菲涅爾波帶片成像的空間分辨力取決于最外環(huán)帶的寬度，即 受限于目前光刻制作的水平，從而制約了波帶片在高分辨力要求等特殊場合的應(yīng)用。2001 年，德國的L. Kipp教授在nature雜志上發(fā)表文章，首次提出了光子篩的概念，它是用隨機(jī) 分布在透光環(huán)帶上的小孔代替菲涅爾結(jié)構(gòu)的透光環(huán)帶而形成的。隨機(jī)分布的小孔能有效地 抑制次級和高級衍射，從而提高了成像對比度和分辨力。但由于只有分布在透光環(huán)帶上的 小孔才對焦點的形成做出貢獻(xiàn)，而其它區(qū)域?qū)魅踅裹c的形成，因而振幅型光子篩的衍 射效率比波帶片還要低，僅10%左右，這極大地影響它的實用化。找到一種新的結(jié)構(gòu)，既具 有高分辨力，又具有高衍射效率，為光子篩實用化起推動作用，已成為業(yè)界急需解決的核心 問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種位相型光子篩，從 而可以同時獲得高分辨力和衍射效率，為光子篩的實用化奠定基礎(chǔ)。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種位相型光子篩，所述光子篩的基底為不透明金屬 的玻璃基底，在不透明金屬的玻璃基底上分布有透光和不透光環(huán)帶，在所述的透光和不透 光環(huán)帶上隨機(jī)分布有孔，所述位相型光子篩的設(shè)計步驟如下 (1)根據(jù)所要求的光子篩波長A 、直徑D、焦距f計算出相對應(yīng)的菲涅爾波帶片各
環(huán)帶的半徑/;=扣/x入，相鄰兩環(huán)半徑之差即為環(huán)帶寬度wn， <formula>formula see original document page 3</formula> ;假
設(shè)波帶片的中心環(huán)帶為亮環(huán)，則第一個亮環(huán)寬度巧=巧，以此類推，下標(biāo)n為奇數(shù)時對應(yīng)的 wn為亮環(huán)寬度；下標(biāo)n為偶數(shù)時對應(yīng)的wn為暗環(huán)寬度，n取值范圍應(yīng)小于波帶片的總環(huán)帶
數(shù)，記總環(huán)帶數(shù)為N，則<formula>formula see original document page 3</formula>
(2)分別在透光和不透光的環(huán)帶上分布的孔直徑dn大于相應(yīng)的環(huán)帶寬度，則dn = kXwn(n > 2)，k為比例系數(shù)，它的取值由第一類一階貝塞爾函數(shù)決定，大致為1.5、3.5、5.5 等，但為了避免孔的重疊，一般取1.5左右，但仍跟實際設(shè)計的光子篩的波長、直徑、焦距等 因素有關(guān)，本發(fā)明經(jīng)優(yōu)化后取1. 44。
2、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的位相型光子篩，其特征在于所述步驟(2)中透光和不 透光環(huán)帶上隨機(jī)分布的孔滿足如下條件
a.所有孔不能相互重疊； b.相鄰?fù)腹夂筒煌腹猸h(huán)帶上分布的小孔之間要產(chǎn)生位相差，這樣才能在焦點 處產(chǎn)生相干疊加，從而使得焦點處的能量增強(qiáng)，即提高了衍射效率； c.各環(huán)帶孔面積之和呈現(xiàn)高斯分布，通過改變光瞳的復(fù)振幅透射比，使得光瞳的 衍射圖樣具有最窄寬度的主瓣和最小的旁瓣，從而改變系統(tǒng)的點擴(kuò)展函數(shù)以改善系統(tǒng)的成 像質(zhì)量。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于 (1)相比于波帶片而言，位相型光子篩具有更優(yōu)的分辨力。因波帶片成像除了主焦 點外，還有很多次級或高級焦點，它們的存在極大地影響了成像的對比度，且波帶片的最佳 分辨力取決于最外環(huán)帶寬度，即取決于目前的加工水平。本發(fā)明位相型光子篩因為有隨機(jī) 分布的小孔，可以很好地抑制高級衍射，盡可能地將能量集中在主焦點處，因而提高了分辨 力； (2)相比于振幅型光子篩而言，位相型光子篩具有更優(yōu)的衍射效率。因振幅型光子 篩只有分布在透光環(huán)帶上的小孔對焦點的形成才有貢獻(xiàn)，不透光環(huán)帶沒有小孔分布，故其 它區(qū)域?qū)⑾魅踅裹c的形成。位相型光子篩使得透光和不透光環(huán)帶都隨機(jī)分布小孔，且透光 環(huán)帶和相應(yīng)的不透光環(huán)帶的小孔之間形成n位相差，則在焦點處將進(jìn)行相干疊加，從而使 得焦點處的能量增強(qiáng)，即提高了衍射效率； (3)本發(fā)明的位相型光子篩可廣泛地應(yīng)用于納米光刻、天文觀測、航空拍攝、武器 視覺等領(lǐng)域，為提高我國在該領(lǐng)域的競爭能力打下基礎(chǔ)。
圖1為菲涅爾波帶片示意圖； 圖2為位相型光子篩示意圖； 圖3為光子篩的衍射模型示意圖； 圖4為傳統(tǒng)的振幅型光子篩的橫截面示意圖； 圖5為本發(fā)明的位相型光子篩的橫截面示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，為菲涅爾波帶片的結(jié)構(gòu)示意圖。在本具體實施例中，取入射光源波長 為355nm，波帶片直徑為lmm，焦距為lOmrn。記N為波帶數(shù)，則N = D2/ A X f = 281 ;記rn為各
環(huán)半徑，則^ = ^"x/x;i ， f為焦距，A為波長，n為波帶片環(huán)帶的序號，N為波帶片總的
環(huán)帶數(shù)目，n取值范圍小于等于N ;示意圖只顯示了前16個環(huán)帶，以此類推。前16個環(huán)帶半 徑分別為iv r16 = 60. 42 ii m， 85. 44 ii m， 104. 64 ii m， 120. 83 ii m， 135. 09 ii m， 147. 99 ii m， 159. 84 ii m， 170. 88 ii m， 181. 25 ii m， 191. 05 ii m， 200. 37 ii m， 209. 28 ii m， 217. 83 ii m， 226 05 ii m， 233. 99 y m， 241. 66 y m ;相鄰兩個環(huán)帶半徑之差即為環(huán)帶寬度，記為wn，則環(huán)帶 寬度依次為25. 02 ii m， 19. 20 ii m， 16. 19 ii m， 14. 16 ii m， 12. 90 ii m， 11. 85 ii m， 11. 04 ii m，在本 發(fā)明實施例中，中心環(huán)帶為亮環(huán)。
如圖2所示，為位相型光子篩示意圖。記k為比例系數(shù)，則各相應(yīng)環(huán)帶上的小孔 直徑《=kXwn(n > 2)。在本發(fā)明實施例中，取k為1.44(k是經(jīng)過優(yōu)化獲得的，一般取 值范圍見技術(shù)解決方案第二條，具體優(yōu)化過程見后面)，則各環(huán)帶上分布的小孔直徑分別為 36. 03 ii m， 27. 65 ii m， 23. 31 ii m， 20. 39 ii m， 18. 58 ii m， 17. 06 ii m， 15. 90 ii m，上述小孑L的分布 必須滿足權(quán)利要求書中第二條的要求。 如圖3所示，為光子篩的衍射模型示意圖，其中31為入射光波，其波長為本發(fā)明 中的設(shè)計波長，32為光子篩所處的位置，33為焦平面，其距離為本發(fā)明專利中的設(shè)計焦距， 衍射模型用于光子篩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。具體優(yōu)化過程如下首先根據(jù)預(yù)設(shè)的焦距和曝光光源波 長計算出波帶片各環(huán)半徑rn，相鄰兩環(huán)半徑之差即為環(huán)帶寬度w，然后建立光子篩的衍射模 型，以焦面上衍射光強(qiáng)取得最大值為原則，對小孔直徑大小(即k值大小)、密度分布等因素 進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)各環(huán)帶上分布小孔的面積之和呈現(xiàn)一定分布為根據(jù)，確定各環(huán)帶上分布小 孔的數(shù)量。 本發(fā)明在此處具體優(yōu)化實現(xiàn)過程為本發(fā)明實施例中，曝光光源波長為355nm，焦 距為10mm，比例系數(shù)取為1.44，各環(huán)帶上分布小孔的面積之和呈現(xiàn)高斯分布，各環(huán)帶分布 小孔面積之和大約等于相應(yīng)環(huán)帶面積的63% 。 如圖4所示，為傳統(tǒng)的振幅型光子篩的橫截面示意圖。其中，41為透明基底，兩邊 黑色區(qū)域42為未刻蝕光子篩圖形的部分；中間黑色區(qū)域44為完全不透光的金屬，在本發(fā)明 實施例中為金屬鉻，對應(yīng)于菲涅爾波帶片的不透光環(huán)帶；白色區(qū)域43為完全透光區(qū)域，對 應(yīng)于菲涅爾波帶片的透光環(huán)帶。 如圖5所示，為本發(fā)明的位相型光子篩的橫截面示意圖。其中，51為透明基底，兩 邊黑色區(qū)域52為未刻蝕光子篩圖形的部分；灰色區(qū)域54為相移層，通過精確控制刻蝕深度 (刻蝕過程由反應(yīng)離子束刻蝕工藝完成，刻蝕深度與反應(yīng)氣體流速、放電功率、反應(yīng)室氣壓 等因素綜合控制)來保證分布在該區(qū)域上的小孔能和分布在完全透光區(qū)域上的小孔能產(chǎn) 生位相差，對應(yīng)于菲涅爾波帶片的不透光環(huán)帶；白色區(qū)域53為完全透光區(qū)域，對應(yīng)于菲 涅爾波帶片的透光環(huán)帶。上述刻蝕深度為A/2(m-l)，其中m為金屬層的折射率。在本發(fā)明 實施例中，取金屬為鉻，折射率為2. 96，則刻蝕深度為355/2(2. 96-1) = 90nm左右。
總之，本發(fā)明的位相型光子篩，是由傳統(tǒng)菲涅爾波帶片結(jié)構(gòu)改進(jìn)而成。它是由隨機(jī) 分布在菲涅爾波帶片透光和不透光環(huán)帶上的小孔組成，其中透光環(huán)帶上的小孔和不透光環(huán) 帶上的小孔之間有n位相差，位相差由精確控制各環(huán)帶的刻蝕深度來實現(xiàn)。位相型光子篩 的制作過程由電子束加工工藝完成。相比于菲涅爾波帶片而言，位相型光子篩在保持高衍 射效率的同時，還具有更優(yōu)的分辨力；相比于振幅型光子篩而言，位相型光子篩在保持高分 辨力的同時，還具有更優(yōu)的衍射效率。作為一種優(yōu)良的納米量級衍射成像器件，位相型光子 篩可廣泛地應(yīng)用于納米光刻、天文觀測、航空拍攝、武器視覺等領(lǐng)域。
本發(fā)明未詳細(xì)闡述的內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種位相型光子篩，其特征在于所述光子篩的基底為不透明金屬的玻璃基底，在不透明金屬的玻璃基底上分布有透光和不透光環(huán)帶，在所述的透光和不透光環(huán)帶上隨機(jī)分布有孔，所述位相型光子篩的設(shè)計步驟如下(1)根據(jù)所要求的光子篩的波長λ、直徑D、焦距f計算出相對應(yīng)的菲涅爾波帶片各環(huán)帶的半徑相鄰兩環(huán)半徑之差即為環(huán)帶寬度wn，wn＝rn-rn-1n≥2；假設(shè)波帶片的中心環(huán)帶為亮環(huán)，則第一個亮環(huán)寬度w1＝r1，以此類推，下標(biāo)n為奇數(shù)時對應(yīng)的wn為亮環(huán)寬度；下標(biāo)n為偶數(shù)時對應(yīng)的wn為暗環(huán)寬度，n取值范圍應(yīng)小于波帶片的總環(huán)帶數(shù)，記總環(huán)帶數(shù)為N，則 <mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac> <msup><mi>D</mi><mn>2</mn> </msup> <mrow><mn>4</mn><mo>×</mo><mi>λ</mi><mo>×</mo><mi>f</mi> </mrow></mfrac><mo>;</mo> </mrow>(2)分別在透光和不透光的環(huán)帶上分布的孔直徑dn大于相應(yīng)的環(huán)帶寬度，則dn＝k×wn(n≥2)，k為比例系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的位相型光子篩，其特征在于所述步驟(2)中透光和不透 光環(huán)帶上隨機(jī)分布的孔滿足如下條件a. 所有孔不能相互重疊；b. 相鄰?fù)腹夂筒煌腹猸h(huán)帶上分布的孔之間要產(chǎn)生JI位相差；c. 各環(huán)帶孔面積之和呈現(xiàn)高斯分布。
全文摘要
位相型光子篩，是由傳統(tǒng)菲涅爾波帶片結(jié)構(gòu)改進(jìn)而成。它是由隨機(jī)分布在菲涅爾波帶片透光和不透光環(huán)帶上的小孔組成，其中透光環(huán)帶上的小孔和不透光環(huán)帶上的小孔之間有π位相差，位相差由精確控制各環(huán)帶的刻蝕深度來實現(xiàn)。位相型光子篩的制作過程由電子束加工工藝完成。相比于菲涅爾波帶片而言，位相型光子篩在保持高衍射效率的同時，還具有更優(yōu)的分辨力；相比于振幅型光子篩而言，位相型光子篩在保持高分辨力的同時，還具有更優(yōu)的衍射效率。作為一種優(yōu)良的納米量級衍射成像器件，位相型光子篩可廣泛地應(yīng)用于納米光刻、天文觀測、航空拍攝、武器視覺等領(lǐng)域。
文檔編號G02B5/18GK101694532SQ20091023616
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者嚴(yán)偉, 徐鋒, 楊勇, 胡松, 蔣文波, 趙立新, 邢嶶 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所;