振幅型波帶片光子篩的製作方法
2023-04-26 04:16:11 1
專利名稱：振幅型波帶片光子篩的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射光束波面整形技術領域，特別是涉及一種振幅型波帶片光子篩。
背景技術：
所謂光子篩，是一種新型聚焦成像衍射光學器件，利用它可以對X光聚焦和成像， 這是一般稜鏡和玻璃材料的成像光學器件無法實現的。光子篩與傳統的光學元件菲涅 耳Fresnel波帶片相比，具有高解析度和抑制二級衍射主極大等優點，能提高成像的對 比度。而且，作為新型衍射元件，它具有體積小、重量輕、易複製等優點。
光子篩可以應用於高解析度顯微鏡、天文望遠鏡、下一代光刻，雷射可控核聚變 (ICF)研究等。
在2001年，Kipperetal.首次提出了一種新型的衍射光學器件光子篩，用它可以 對軟X射線和EUV輻射光源聚焦和成像[Kipp, L., Skibowski, M., Johnson, R. L.， Berndt， R., Adelung, R., Harm， S., and Seemann， R. Sharper images by focusing soft X-ray with photon sieves.Nature[J]， 2001. 414， 184-188.]。
2003年Gil and Menon報導在"光束掃描光刻"(ZPAL)系統中用光子篩替代波帶 片[Menon， R., Gil, D. Barbastathis, G.， and Smith, H. I. Photon-sieve lithography[J]. Opt. Soc. Am. A, 2005.22(2)， 342-345.]。
此後，由於光子篩本身具有的優越的性能，人們對它越來越感興趣，並將它應用 於各種新的研究領域，如環繞太陽衛星的EUV望遠鏡，THZ波全息術等[S. Wang and X. Zhang. Terahertz tomographic imaging with a Fresnel lens[J]. Opt. Photon. 2002.News 13,59]。
光子篩(PhotonSieve, PS)是在菲涅耳波帶環上製作大量適當分布的具有不同半 徑的透光微孔的衍射光學元件(Diffiaction Optical Element, DOE)。
光子篩在軟X射線、極紫外線的聚焦和成像上有很好的應用，可應用於高解析度
顯微術、光譜學、下一代光刻等領域。用光子篩(PS)代替菲涅耳波帶片Fresnel zone plate (FZP)對軟X射線聚焦和成像,可以得到更高的解析度,降低對光刻技術製作工 藝的要求。但是光子篩聚焦的光斑主板能量可以作進一步的提升。用于衡量衍射效果的參數包括"中心能量比"和"第一零點"。的我們定義"中心 能量比"為衍射場中央主瓣的能量除以全部衍射場的能量。它可以表徵中央主瓣能量 的集中度。定義的"第一零點"為主瓣與第一旁瓣之間的能量最小值所在的位置，它的 位置可以表徵中央主瓣的尺寸大小。發明內容本發明的主要目的在於提供一種振幅型波帶片光子篩，以實現雷射束遠場衍射斑 的主斑能量的再提升。為實現上述目的，本發明所述技術方案如下-本發明的振幅型波帶片光子篩，所述振幅型波動片上包括菲涅耳波帶片環帶，在 所述菲涅耳波帶片環帶的外圍設置有光子篩圓孔環帶，即根據菲涅耳波帶片的設計參 數，將所述菲涅耳波帶片的外圍環帶替換為光子篩圓孔環帶；所述光子篩圓孔的直徑 為所替代的所述菲涅耳波帶片環帶寬度的1.5倍；所述光子篩最外環圓孔的直徑與所 述菲涅耳波帶片最外圍環帶的寬度一致。本發明的振幅型波帶片光子篩，所述菲涅耳波帶片為振幅型。 本發明的振幅型波帶片光子篩，所述振幅型波帶片光子篩由透明介質製成。 本發明的振幅型波帶片光子篩，所述菲涅耳波帶片最外環環帶的寬度大於或等於 現有加工工藝能力的最小線寬。本發明提供的技術方案的有益效果是本發明提供的振幅波帶片光子篩，通過將 普通光子篩衍射的中間部分的圓孔改變為菲涅耳波帶片，使通過振幅波帶片光子篩的 準直平行雷射在遠場形成中心主斑比光子篩衍射的中心主斑能量提高，但是主瓣大小 並不顯著增加的光場分布。本發明就是將菲涅耳波帶片的高衍射效率和新興的光子篩 結合起來，實現了光子篩聚焦衍射的主斑能量再提高的光強分布，即實現了雷射束遠 場衍射斑的主斑能量的再提高，這是傳統的光子篩所無法實現的。
圖1是現有的50環光子篩示意圖；圖2是本發明振幅型波帶片光子篩實施例108環振幅波帶片光子篩的結構示意圖； 圖3是本發明實施例108環振幅波帶片光子篩的衍射光強和現有的108環普通光子 篩衍射光強與徑向距離的對比圖；圖4是本發明振幅波帶片光子篩的實驗檢測裝置圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，以下結合具體實施例，並參照附 圖，對本發明進一步詳細說明。現有的波帶片由透明和不透明圓環交替組成，用以阻擋菲涅耳半波帶中的奇數帶 或偶數帶。在點光源照明下，經它能獲得高強度的像點。製作時波帶片的半徑按[55-08]^ = V^ ， =1， 2， 3...比例刻劃，再將單數(或雙數)波帶塗黑，只讓雙 數(或單數)波帶開放。當平行光照明這張平面波帶片時，在距離波帶片為[55-09]y = ^/A有一個主焦點(衍射聚集)，其光強可以達到自由傳播光強的成百 上千倍以上。現有的光子篩是在菲涅耳波帶環上製作大量適當分布的具有不同半徑的透光微孔 的衍射光學元件。由衍射光學角譜的結論可知設在z=0平面上引入一個無窮大的包含有光子篩結構的不透明屏，理想的平面波 照在光子篩上。光子篩的透過率函數為在(1)中，xij,yij表示波帶上微孔圓心坐標，i=l， 2......n, (n為波帶片環數)j=l,2,......m( m為相應環上的微孔數)。E(x，y,O)經過二維空間離散傅立葉變換得到入射光在衍射屏上的角譜FO(fk,fy,O)。五(/,,/"0) = J J^(x,;;,0)e鄧[—7.2;r(/^ + /yj;)}&4;f =2 f j在(2)中，fx,fV是空間頻率，x I， y A ("， 〃是波矢E與X軸，Y軸 之間的夾角)。入射光經過光子篩後沿Z方向傳播。在Z二z處，空間頻率的頻譜E.(fk,fy,z)為:formula see original document page 6V義 (3)在(3)中，fxfV必須滿足條件f^+g《""，此式表明，傳播一段距離的z的效應只是改變了各個角譜分量的相對相位。但是當f^+^"Z"時，空間頻率的頻譜E.(fx, fy, z)為formula see original document page 6 ( 4 )由於^是一個正實數，這些波動分量因傳播距離增大而迅速衰減。將(4)式做傅 裡葉逆變換，得到光波振幅E(x， y, z)V義2 (5)以上是普通光子篩的衍射理論。而針對振幅型波帶片光子篩，需要修改的就是每 一個透過率函數。由完全透光的圓形孔徑變成圓孔加上圓環振幅型衍射單元。本發明的振幅型波帶片光子篩是結合了現有的光子篩和菲涅耳波帶環的基本結構 改進而成。本發明提供的這種振幅波帶片光子篩，是一片在透明介質上，先製造普通 的菲涅耳波帶片，而在波帶片外圍製造普通的光子篩，光子篩的圓孔包圍波帶片，即 在波帶片的外圍用光子篩的圓孔圍成環帶代替波帶片的環帶。這樣，本發明的振幅型 波帶片光子篩的中心部分是現有菲涅耳波帶環，而菲涅耳波帶環的外圍被加工成現有 的光子篩的圓孔環帶形式。本發明中的菲涅耳波帶片是振幅型的。製造的光子篩所基 於的波帶片和內部所包圍的波帶片參數一樣。只是外圍光子篩中每個小孔的直徑是相 應被替換掉的菲涅耳波帶環環帶寬度的1.5倍。通過設計要保證本發明外圍光子篩最 外環小孔的直徑與本發明中心部分菲涅耳波帶片最外環環帶的寬度一致，它們都受限 於微細加工得最小線寬，所以在設計本發明的振幅型波帶片光子篩時，還要考慮現有 的加工工藝能力。中心部分的菲涅耳波帶片圓環和周圍包圍的光子篩圓孔共同構成本 發明的振幅型波帶片光子篩。下面以一個108環的振幅型波帶片光子篩為例，描述其製作方法1、 按照現有的光子篩設計方法，根據雷射波長以及現有的加工工藝能力確定光子 篩焦距和環數；2、 加工中心部位的普通菲涅耳波帶片；3、 加工菲涅耳波帶片外圍的光子篩。假設雷射波長是6328納米，焦距是100毫米，環數是108環。其中波帶片的環數 是50，這樣做可以保證本發明中的中心部位的菲涅耳波帶片最外環的寬度與本發明中 的外圍部分光子篩最外環圓孔的直徑相同。由於加工工藝能力隨光學技術的發展處於 不斷變換中，我們這裡假設製造的線寬是18.2微米。假設外圍部分光子篩的圓孔在菲 涅耳波帶片偶數環帶，則微圓孔的半徑從大到小是-52.0988微米，33.7020微米，26.8437微米，22.9765微米，20.4109微米，18.5493 微米，17.1191微米，15.9758微米，15.0348微米，14.2427微米，13.5639微米，12.9737 微米，12.4544微米，11.9929微米，11.5792微米，11.2055微米，10.8658微米，10.5553 微米，10.2699微米，10.0065微米，9.7624微米，9.5353微米，9.3234微米，9.1250 微米。而本發明中心部位的菲涅耳波帶片圓環的位置在奇數環，其位置分別是0.3558-0.4357毫米，0.5031-0.5625毫米，0.6162-0.6656毫米，0.7115-0.7547毫米， 0.7955-0.8343毫米，0.8714-0.9070毫米，0.9412-0.9743毫米，1.0062-1.0372毫米， 1.0673-1.0965毫米，1.1250- 1.1528毫米，1.1799-1.2064毫米，1.2324-1.2578毫米， 1.2827-1.3071亳米，1.3311-1.3547毫米，1.3778-1.4006毫米，1.4230-1.4451亳米， 1.4668-1.4882毫米，1.5093-1.5302毫米，1.5507-1.5710毫米，1.5910-1.6107毫米， 1.6303-1.6496毫米，1.6686-1.6875毫米，1.7061- 1.7246毫米，1.7428- 1.7609毫米。利用上述參數就可進行進行本發明的菲涅耳波帶片的製作工作了。上述每組兩個 距離之間為透光的波帶片圓環，其餘的部分製作不透光。圖2即為本發明振幅型波帶 片光子篩實施例的108環振幅型波帶片光子篩結構的示意圖，圖中的黑色是不透光的 部分，圖中的白色是透光的部分。本發明的振幅型波帶片光子篩是一種新型的衍射光學器件。該器件放置於衍射極 限透鏡之前或之後，對雷射束遠場衍射光斑各級譜光強度進行修正，實現比普通光子 篩的衍射中心光斑能量更集中的衍射中心衍射斑。本發明的振幅型波帶片光子篩採用
的較小的衍射圓孔和衍射環結構取代普通光子篩的單園衍射孔徑。本發明給出了圓環 衍射單元的設計結構，並進行了相關模擬實驗。實驗驗證了採用本發明的振幅波帶片光子篩可以實現雷射束遠場主光斑能量的進一步提升。本發明技術可用於光束整形、 微電子無掩模刻蝕、強雷射能量集中，X射線聚焦和其它需要能量聚焦到中心光斑的 各種儀器中。描述本發明的振幅型波帶片光子篩參數有包括1) 波帶片光子篩的中心能量比即準直的相干光通過環帶光子篩，所產生的衍射 場中，主斑和總衍射場的能量比值。比值越高，說明主斑聚集的能量越多。2) 波帶片光子篩的第一零點第一零點是主斑與第一衍射極大之間極小值的位置。 值越大，說明主斑底盤越大。值越小，說明主斑底盤越小。根據本發明實施例給出的振幅波帶片光子篩的設計參數。我們在圖3中給出了衍 射光強的比較曲線。我們選擇了現有的108環的普通光子篩和108環的本發明振幅型 波帶片光子篩進行對比。這樣選擇的原因是這兩器件具有相同的最小衍射單元尺寸， 即相同的最小外環半徑和最小圓孔尺寸。由圖3中顯示中心能量比現有的普通光子 篩是0.9592，第一零點位置在9;本發明的振幅型波帶片光子篩的中心能量比是0.9691，第一零點位置在9;同時，在相同的入射光情況下，本發明的振幅型波帶片光子篩的衍射光強峰值約是現有的普通光子篩的2倍，這極大地增加了衍射場的光能量。表1所示為上述兩種器件的衍射比較結果。由比較結果可見，現有的普通光子篩的中心能量比是0.9592，而本發明的振幅型 波帶片光子篩較大幅度的提升了主斑衍射光強峰值，並且使得能量集中度有所提高。基於菲涅耳波帶片環數(F)中心能量比第一零點振幅型波帶片光子篩1080.96919普通光子篩1080.95929表1本發明的振幅波帶片光子篩在實際的應用如圖4所示。1是準直雷射器，2是聚 焦透鏡，3是本發明的振幅型波帶片光子篩，4是CCD光電探測器。從準直雷射l發 出的光經過聚焦透鏡2和振幅型波帶片光子篩3，在聚焦透鏡2的焦平面上產生主斑
衍射圖。這樣的衍射主斑強度分布可以由放在聚焦透鏡2的焦面上的CCD探測器4 探測到並證實之。實驗證明加入本發明的振幅波帶片光子篩後，確實實現了遠場衍射光斑主瓣能量 比普通光子篩的主斑能量的進一步提升。這充分說明本發明可用於光束整形、微電子 無掩模刻蝕、強雷射能量集中，x射線聚焦和其它需要能量聚焦到中心光斑的各種儀 器中。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和 原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種振幅型波帶片光子篩，所述振幅型波動片上包括菲涅耳波帶片環帶，其特徵在於，在所述菲涅耳波帶片環帶的外圍設置有光子篩圓孔環帶，即根據菲涅耳波帶片的設計參數，將所述菲涅耳波帶片的外圍環帶替換為光子篩圓孔環帶；所述光子篩圓孔的直徑為所被替代的所述菲涅耳波帶片環帶寬度的1.5倍；所述光子篩最外環圓孔的直徑與所述菲涅耳波帶片最外圍環帶的寬度一致。
2、 根據權利要求1所述的振幅型波帶片光子篩，其特徵在於，所述菲涅耳波帶 片為振幅型。
3、 根據權利要求1所述的振幅型波帶片光子篩，其特徵在於，所述振幅型波帶 片光子篩由透明介質製成。
4、 根據權利要求1所述的振幅型波帶片光子篩，其特徵在於，所述菲涅耳波帶 片最外環環帶的寬度大於或等於現有加工工藝能力的最小線寬。
全文摘要
本發明公開了一種振幅型波帶片光子篩，屬於光學儀器領域。本發明是在透明介質上，其中心部位設置菲涅耳波帶片環帶，在環帶外圍設置普通的光子篩圓孔，光子篩的圓孔包圍波帶片的環帶。其中菲涅耳波帶片是振幅型的。製造的光子篩所基於的波帶片和內部所包圍的波帶片的設計參數一致，光子篩每個圓孔的直徑是相應位置環帶的1.5倍；外圍光子篩最外環圓孔的直徑與中心部分波帶片最外環環帶的寬度一致，它們根據現有的微細加工最小線寬的工藝能力確定。本發明可用於光束整形、微電子無掩模刻蝕、強雷射能量集中、X射線聚焦和其它需要能量聚焦到中心光斑的各種儀器中，可以提高篩聚焦衍射光強，即實現了雷射束遠場衍射斑的主斑能量的提升。
文檔編號G02B27/44GK101398493SQ20081022335
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月26日 優先權日2008年9月26日
發明者明 劉, 謝長青, 佳 賈 申請人:中國科學院微電子研究所