一种单焦点光子筛的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及衍射光学元件设计领域，尤其涉及一种单焦点光子筛。
【背景技术】
[0002] 传统的透镜都是由玻璃加工而成，光线在透镜中以折射或者反射的方式通过，产 生汇聚或发散的效果，这种透镜统称为折射透镜。不同于传统的折射透镜，衍射光学元件通 过衍射的方式对光线进行汇聚和发散，称之为衍射透镜。
[0003]光子筛是一种新型的衍射光学元件，由德国Kipp教授在传统波带片的基础上提 出。它通过分布在波带片亮环上的大量随机分布的小孔代替波带片的亮环，光线通过小孔 产生衍射效应，不同的小孔产生衍射相干叠加，进而在中心处产生高质量的聚焦光斑。相对 于波带片，由于小孔直径比环带宽度大，可以在相同的加工尺寸情况下获得大口径，产生更 小的聚焦光斑。同时光子筛可以在紫外光和X射线下聚焦和成像。此外光子筛可以在非常 薄的基底上加工实现，这有利于制作成大口径，也有利于光学系统的轻量化。2003年，麻省 理工学院报道了基于高数值孔径的光子筛的无掩模光子筛阵列光刻系统（ZPAL)。中国科学 院光电技术研究所开展了大数值孔径光子筛聚焦光刻方法研究。国内外在光子筛聚焦以及 成像领域开展了研究工作。
[0004] 光子筛具有多个焦点，高阶焦点分散通过光子筛的能量，同时高阶焦点会产生背 景光，影响光子筛的聚焦和成像效果。目前还没有见到对单焦点光子筛的设计和研究，本发 明设计的光子筛只产生一个焦点，同时易于加工实现。
【发明内容】
[0005] 为了解决光子筛多焦点的问题，本发明提出一种单焦点光子筛的设计方法，
[0006]本发明所采用的技术方案如下：一种单焦点光子筛，包括：透明衬底和透明衬底 上的不透光金属层，所述的不透光金属层由大量特定位置和特定大小的小孔组成。
[0007]进一步的，所述的小孔都是振幅型小孔。
[0008]进一步的，所述的小孔分上下环带分布。
[0009] 进一步的，所述的上环带小孔的中心位置为，
[0010] rs= (r!+r2)/2
[0011] 其中，r。r2为中间量，
[0012]
[0013]
[0014]f?为光子筛焦距，
[0015] 0为角度，
[0016] X是光子筛的设计波长；
[0017] 小孔的大小为ds=k*(rfrD，其中k一般为1. 2。
[0018] 进一步的，所述的下环带小孔的中心位置为，
[0019]rx= (r3+r4)/2
[0020] 其中，r3，r4为中间量，
[0021]
[0022]
[0023]f为光子筛焦距，
[0024] 0为角度，
[0025] X是光子筛的设计波长；
[0026]小孔的大小为dx=k*(r4_r3)，其中k一般为1. 25。
[0027] 进一步的，所述的小孔中心位置满足rs，大小满足ds，为了使小孔不重叠每个小孔 的数量和具体位置通过下面算法计算得到：
[0028] 步骤1)、赋小孔相邻边缘角距离0。的初值为条带数量n为l，ri=^7, r2.yj(2n + l)^f ;
[0029] 步骤2)、判断n是否小于N(设计总环带数），如果不小于则设计结束；如果小于则
[0030] r= d= 1.SSMm)，小孔所占的角距离碑=肌、丨丨1(子)，0 = ji- 9 〇- 9j；
[0031] 步骤3)、判断0是否大于0,如果不是则n=n+1,转到步骤2);如果是则0 = 0 +0. 5* 0 〇,
[0032]
[0033]d= 1. 25* (r2-r!),r=(x^r^)/2?,
[0034] 步骤4)、小孔的坐标位置为x=lcos( 0 )y= 0sin( 0 )
[0035] 年min(子)' 0 =jt- 0 〇-l. 5* 9 !，转到步骤 3);
[0036] 其中，N为设计环带数，x，y为小孔的位置，d为小孔的直径。
[0037] 进一步的，所述的小孔中心位置满足rx，大小满足dx，为了使小孔不重叠每个小孔 的数量和具体位置通过下面算法计算得到：
[0038] 步骤I)、赋小孔相邻边缘角距离0。的初值为^，条带数量n为I，n ， Ti=v'(2n + l)i/ ;
[0039] 步骤2)、判断n是否小于N(设计总环带数），如果不小于则设计结束；如果小于 则：
[0040] r=(咕2)/2,d= 1. 25*(r2-ri)，小孔所占的角距离舞謂csin(f) 0 = 2 3i- 9 〇- 9 !；
[0041] 步骤3)、判断0是否大于it，如果不是则n=n+1，转到步骤2);如果是则0 = 0+0.5*0〇,
[0042]
[0043] d= 1. 25* (r2-r!),r=(x^r^)/2?,
[0044] 步骤4)、小孔的坐标位置为x=lcos( 9 )y= 0sin( 0 )
[0045] ~丨=mcm"(子），0 =jt- 0。-1. 5* 0 丨，转到步骤 3);
[0046] 其中，N为设计环带数，x，y为小孔的位置，d为小孔的直径。
[0047] 本发明的原理在于：
[0048] 单焦点光子筛包括透明衬底层和金属层。在透明衬底上制备有金属层，金属层上 刻蚀出所需要的微细结构加工而成。所述的微细结构由许多位于特定位置的特定大小的小 孔组成。不同于普通光子筛的环带是同心圆环，单焦点光子筛的小孔位于相互交错的环带 中，环带的边界曲线满足特定的曲线方程，透明的小孔圆心处在环带的中间，小孔的直径和 环带的宽度满足一定的比值。
[0049] 本发明的有益效果是：
[0050] (1)、本发明设计的光子筛只产生一个衍射光斑，而且衍射焦点光斑大小基本不 变，同时单焦点光子筛也易于加工。
[0051] (2)、本发明设计的光子筛焦点相对于普通光子筛产生的焦点，旁瓣很低，用于成 像，对比度高；
[0052] (3)、本发明设计的光子筛结构简单，易于制作。
【附图说明】
[0053] 图1是本发明一种单焦点光子筛结构示意图；
[0054] 图2是单焦点光子筛的小孔分布示意图；
[0055] 图3是单焦点光子筛两个环带的小孔分布示意图；
[0056] 图4(a)是上环带小孔数量和具体位置的计算的算法流程图；
[0057] 图4(b)是上环带小孔数量和具体位置的计算的算法流程图；
[0058] 图5是单焦点光子筛焦点和普通光子筛第一个焦点截面归一化光强分布对比图；
[0059] 图6是单焦点光子筛沿光轴方向的归一化光强分布图。
【具体实施方式】
[0060] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0061]本发明提供的单焦点光子筛结构包括透明衬底层2和堵在该透明衬底上的部透 光金属层1，如图1所示。不透明金属层上分布了特定位置和大小的透光圆孔，该透光圆孔 呈上下环带交错分布。透明衬底可以是有机玻璃或者其他透明材料，金属层可以是金，铜或 者铬等不透明金属。
[0062] 如图2所示，黑色为不透光金属，白色为透光小孔，单焦点光子筛的小孔呈上下交 错的环带分布。如图3所示上环带上的小孔位置满足曲线rs= (ri+r2)/2，
[0063]
[0064]
[0065] 其中光子筛焦距为f，0为角度，A是光子筛的设计波长。小孔的大小为4 = ，其中k一般为 1. 2。
[0066] 如图3所示下环带上的小孔位置满足曲线rx=(r3+r4)/2，
[0067]
[0068]
[0069] 其中光子筛焦距为f，0为角度，X是光子筛的设计波长。小孔的大小为4 = ，其中k一般为 1. 2。
[0070] 为了避免小孔之间的重叠，具体按照如图4所示的方式设计，上环带小孔和下环 带分别设计。设计实例的设计波长是A为632. 8nm，设计焦距f?为100mm，第一个环带和第 二个环带部分小孔的位置和直径如表1所示。
[0071] 表1第一个环带和第二个环带部分小孔的位置和直径
[0072]
[0073] 单焦点光子筛相对于普通光子筛焦点基本没有变化，略微变大但是旁瓣更低，基 本没有旁瓣，如图5所示。在光轴线方向只有一个焦点位于设计焦距100mm处，如图6所示。
[0074] 以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的包含范围之内。
【主权项】
1. 一种单焦点光子筛，其特征在于，包括：透明衬底和透明衬底上的不透光金属层，所 述的不透光金属层由大量特定位置和特定大小的小孔组成。2. 根据权利要求1所述的单焦点光子筛，其特征在于，所述的小孔都是振幅型小孔。3. 根据权利要求1所述的单焦点光子筛，其特征在于，所述的小孔分上下环带分布。4. 根据权利要求3所述的单焦点光子筛，其特征在于，所述的上环带小孔的中屯、位置 为， Ts= (ri+。)/2 其中，ri，。为中间量，f为光子筛焦距， 0为角度， 入是光子筛的设计波长； 小孔的大小为屯二k*(r2-ri)，其中k一般为1. 25。5. 根据权利要求3所述的单焦点光子筛，其特征在于，所述的下环带小孔的中屯、位置 为， Tx=(r,+r,)/2其中，为中间量，f为光子筛焦距， 0为角度， 入是光子筛的设计波长； 小孔的大小为屯二k*(r4-r3)，其中k一般为1. 2。6. 根据权利要求4所述的单焦点光子筛，其特征在于，所述的小孔中屯、位置满足r,，大 小满足屯，为了使小孔不重叠每个小孔的数量和具体位置通过下面算法计算得到： 步骤1)、赋小孔相邻边缘角距离0。的初值为^，条带数量n为1，ft=,步骤2)、判断n是否小于N，其中N为设计总环带数，如果不小于N则设计结束；如果小 于N贝Ij r=h甘2)/2, d= 1. ，小孔所占的角距离巧=抑。S…(^.，目=JT -目厂白1; 步骤3)、判断0是否大于0,如果不是则n=n+l，转到步骤2);如果是则0 = 白+0.5水白d= 1. 25*(。-1~1),r= (；Ti+r2)/2; 步骤4)、小孔的坐标位置为X=Icos(0)y= 0sin(0) 巧=迪樹姆I)，0 =JI- 0广I. 5* 0 1，转到步骤扣； 其中，N为设计环带数，X，y为小孔的位置，d为小孔的直径。7.根据权利要求5所述的单焦点光子筛，其特征在于，所述的小孔中屯、位置满足r、，大 小满足屯，为了使小孔不重叠每个小孔的数量和具体位置通过下面算法计算得到： 步骤1)、赋小孔相邻边缘角距离0。的初值为条带数量〇为1，6 =步骤2)、判断n是否小于N，其中N为设计总环带数，如果不小于则设计结束；如果小于 则： r=h甘2)/2,d= 1. ，小孔所占的角距爵目= 231-目厂白1; 步骤扣、判断0是否大于n，如果不是则n=n+l，转到步骤。；如果是则0 =d= 1. 25*(。-1~1),r= (；Ti+r2)/2; 步骤4)、小孔的坐标位置为X=Icos(0)y= 0sin(0)0 =JT-0 广I. 5* 0 1，转到步骤 3); 其中，N为设计环带数，X，y为小孔的位置，d为小孔的直径。
【专利摘要】本发明公开了一种单焦点光子筛，包括透明衬底层和金属层。在透明衬底上制备有金属层，金属层上刻蚀出所需要的微细结构加工而成。所述的微细结构由许多位于特定位置的特定大小的小孔组成。这些小孔位于相互交错的环带中，环带的边界曲线满足特定的曲线方程，透明的小孔圆心处在环带的中间，小孔的直径和环带的宽度满足一定的比值。本发明克服了一般的光子筛具有多个焦点的缺点，只有一级衍射焦点，用于光子筛成像可以提高成像的对比度。
【IPC分类】G02B5/18
【公开号】CN105204102
【申请号】CN201510757846
【发明人】程依光, 刘俊伯, 何渝, 周毅, 邓钦元, 胡松, 赵立新
【申请人】中国科学院光电技术研究所
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年11月10日