專利名稱：：位相型波帶片光子篩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于激光光束波面整形
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種用于實(shí)現(xiàn)激光束在遠(yuǎn)場衍射光斑主斑能量提升的位相型波帶片光子篩。該種光子篩可用于光束整形、微電子無掩?？涛g、強(qiáng)激光能量集中，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。
背景技術(shù)：
：通過各種途徑對于激光衍射斑主斑進(jìn)行能量提升，并且抑制旁斑的能量是實(shí)用的課題。在光束整形、微電子無掩模刻蝕、強(qiáng)激光能量集中、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均需要極小的主斑寬度和極高的主斑能量。位相調(diào)制技術(shù)是通過改變衍射光線傳播截面的位相分布從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期衍射光強(qiáng)分布的技術(shù)。用于進(jìn)行調(diào)制的方法有多種，有固定位相分布的位相板，也有用光電晶體制成的可由電壓控制位相分布的調(diào)制片。因?yàn)檠苌湮幌喟骞饽艿睦眯首罡?，所以最常用。所謂光子篩，是一種新型聚焦成像衍射光學(xué)器件，如圖1所示。利用它可以對X光聚焦和成像，這是一般棱鏡和玻璃材料的成像光學(xué)器件無法實(shí)現(xiàn)的。光子篩與傳統(tǒng)的光學(xué)元件Fresnel波帶片相比，具有高分辨率和抑制二級衍射主極大等優(yōu)點(diǎn)，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、易復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)。光子篩可以應(yīng)用于高分辨率顯微鏡、天文望遠(yuǎn)鏡、下一代光刻，激光可控核聚變(ICF)研究等。在2001年，Kipperetal.首次提出了一種新型的衍射光學(xué)器件光子篩，用它來對軟X射線和EUV輻射光源聚焦和成像[Kipp，L.，Skibowski，M.，Johnson,R丄，Berndt，R.，Adelung，R.，Harm,S.，andSeemann，R.SharperimagesbyfocusingsoftX-raywithphotonsieves.Nature[J]，2001.3414，184-188.]。2003年GilandMenon報(bào)道在"光束掃描光刻"(ZPAL)系統(tǒng)中用光子篩替代波帶片[Menon，R.，Gil,D.Barbastathis,G.，andSmith,H.I.Photon-sievelithography[J].Opt.Soc.Am.A，2005.22(2)，342-345.]。此后，由于光子篩本身具有的優(yōu)越的性能，人們對它越來越感興趣，并將它應(yīng)用于各種新的研究領(lǐng)域，如環(huán)繞太陽衛(wèi)星的EUV望遠(yuǎn)鏡，THZ波全息術(shù)等[S.WangandX.Zhang.TerahertztomographicimagingwithaFresnellens[J].OptPhoton.2002.News13，59]。光子篩(PhotonSieve,PS)是在菲涅耳波帶環(huán)上制作大量適當(dāng)分布的具有不同半徑的透光微孔的衍射光學(xué)元件(DiffractionOpticalElement,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(yīng)用，可應(yīng)用于高分辨率顯微術(shù)、光譜學(xué)、下一代光刻等領(lǐng)域。用光子篩(PS)代替菲涅耳波帶片F(xiàn)resnelzoneplate(FZP)對軟X射線聚焦和成像，可以得到更高的分辨率，降低對光刻技術(shù)制作工藝的要求。但是光子篩聚焦的光斑主板能量可以作進(jìn)一步的提升。位相型菲涅耳波帶片，是具有浮雕表面結(jié)構(gòu)的菲涅耳波帶片。浮雕的厚度在波長量級，圖形應(yīng)盡可能接近設(shè)計(jì)值，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的高的衍射效率。[參見二元光學(xué)，金國潘，嚴(yán)瑛白，鄔敏賢，第四章]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，它可以表征中央主瓣能量的集中度。定義第一零點(diǎn)為主瓣與第一旁瓣之間的能量最小值所在的位置，它的位置可以表征中央主瓣的尺寸大小。
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種位相型波帶片光子篩，以實(shí)現(xiàn)激光束遠(yuǎn)場衍射斑的主斑能量的再提升。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種位相型波帶片光子篩，該位相波帶片光子篩由中心部分的位相菲涅耳波帶片圓環(huán)和包圍在該位相菲涅耳波帶片圓環(huán)周圍的光子篩圓孔構(gòu)成。上述方案中，所述位相菲涅耳波帶片圓環(huán)和光子篩圓孔均制作在透明介質(zhì)上，先在透明介質(zhì)上制作位相菲涅耳波帶片，在該位相菲涅耳波帶片周圍制作光子篩，光子篩的圓孔包圍位相菲涅耳波帶片的圓環(huán)。上述方案中，所述光子篩最外環(huán)小孔的直徑與位相菲涅耳波帶片最外環(huán)環(huán)帶的寬度一致，二者都受限于微細(xì)加工得最小線寬。上述方案中，所述位相菲涅耳波帶片的環(huán)數(shù)由設(shè)計(jì)決定，最外環(huán)的寬度大于加工的最小線寬。上述方案中，所述光子篩在制作時(shí)所基于的波帶片與其內(nèi)部所包圍的位相菲涅耳波帶片的參數(shù)相同，且每個(gè)圓孔的直徑是相應(yīng)環(huán)帶寬度的1.5倍。上述方案中，所述光子篩環(huán)數(shù)的確定由其包圍的位相菲涅耳波帶片的環(huán)數(shù)決定，環(huán)數(shù)確定準(zhǔn)則是確保最外環(huán)圓孔的直徑與最外環(huán)波帶片寬度一致。上述方案中，所述各環(huán)帶衍射單元和光子篩的衍射圓孔共同構(gòu)成該器件的透光部分，其余部分不透光。(三)有益效果本發(fā)明提供的位相波帶片光子篩，通過控制改變普通光子篩衍射的中間部分的圓孔變?yōu)樵瓉淼姆颇◣?，使通過其的準(zhǔn)直平行激光在遠(yuǎn)場形成中心主斑比光子篩衍射的中心主斑能量提高，但是主瓣大小并不顯著增加的光場分布。本發(fā)明將位相菲涅耳波帶片的高衍射效率和新興的光子篩結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了光子篩聚焦衍射的主斑能量再提高的光強(qiáng)分布，即實(shí)現(xiàn)了激光束遠(yuǎn)場衍射斑的主斑能量的再提高，這是傳統(tǒng)的光子篩所無法實(shí)現(xiàn)的。圖1是普通的50環(huán)光子篩示意圖，衍射單元是圓形衍射孔徑。圖2是本發(fā)明位相型波帶片光子篩實(shí)施例之一的108環(huán)位相波帶片光5子篩結(jié)構(gòu)的示意圖，衍射單元是衍射孔和透光的的環(huán)帶。圖3是108環(huán)位相波帶片光子篩的衍射光強(qiáng)和108環(huán)普通光子篩的衍射光強(qiáng)與徑向距離的對比圖；圖中我們看到中心能量比，普通光子篩是0.9592，第一零點(diǎn)位置在9，位相型波帶片光子篩的中心能量比是0.9744，第一零點(diǎn)位置在9。并且在相同的入射光情況下，環(huán)帶光子篩的衍射光強(qiáng)峰值約是普通光子篩的6倍，極大地增加了衍射場的光能量。圖4是位相波帶片光子篩的實(shí)驗(yàn)檢測裝置。具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。位相型波帶片光子篩是一種新型的衍射光學(xué)元件。該器件放置于衍射極限透鏡之前或之后，對激光束遠(yuǎn)場衍射光斑各級譜光強(qiáng)度進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)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(fā)明提供的位相型波帶片光子篩，采用較小的衍射圓孔和衍射環(huán)結(jié)構(gòu)取代普通光子篩的單圓衍射孔徑。本發(fā)明給出了圓環(huán)衍射單元的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用位相波帶片光子篩可以實(shí)現(xiàn)激光束遠(yuǎn)場主光斑能量的進(jìn)一步提升。本發(fā)明技術(shù)可用于光束整形、微電子無掩?？涛g、強(qiáng)激光能量集中，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。本發(fā)明提供的這種位相波帶片光子篩，由中心部分的位相菲涅耳波帶片圓環(huán)和包圍在該位相菲涅耳波帶片圓環(huán)周圍的光子篩圓孔構(gòu)成。所述位相菲涅耳波帶片圓環(huán)和光子篩圓孔均制作在透明介質(zhì)上，先在透明介質(zhì)上制作位相菲涅耳波帶片，在該位相菲涅耳波帶片周圍制作光子篩，光子篩的圓孔包圍位相菲涅耳波帶片的圓環(huán)。光子篩最外環(huán)小孔的直徑與位相菲涅耳波帶片最外環(huán)環(huán)帶的寬度一致，二者都受限于微細(xì)加工得最小線寬。光子篩在制作時(shí)所基于的波帶片與其內(nèi)部所包圍的位相菲涅耳波帶片的參數(shù)相同，且每個(gè)圓孔的直徑是相應(yīng)環(huán)帶寬度的1.5倍。本發(fā)明提供的這種位相波帶片光子篩，是一種在透明介質(zhì)上，先制作普通的位相菲涅耳波帶片，在波帶片周圍制作普通的光子篩，光子篩的圓孔包圍波帶片。菲涅耳波帶片是位相型的。制作的光子篩所基于的波帶片和內(nèi)部所包圍的波帶片參數(shù)一樣。每個(gè)小孔的直徑是相應(yīng)環(huán)帶寬度的1.5倍。光子篩最外環(huán)小孔的直徑和中心部分波帶片最外環(huán)環(huán)帶的寬度一致，它們都受限于微細(xì)加工得最小線寬。圖2是本發(fā)明位相型波帶片光子篩實(shí)施例之一的108環(huán)位相型波帶片光子篩結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中的灰色是不透光的部分，圖中的白色是透光的部分，黑色也是透光的，但是位相是兀。位相型波帶片光子篩描述參數(shù)有1)波帶片光子篩的中心能量比準(zhǔn)直的相干光通過環(huán)帶光子篩，所產(chǎn)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(diǎn)第一零點(diǎn)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。由衍射光學(xué)角譜的結(jié)論可知設(shè)在Z=0平面上引入一個(gè)無窮大的包含有光子篩結(jié)構(gòu)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(shù)為在(1)中，Xij，yij表示波帶上微孔圓心坐標(biāo)，i=l，2......n，(n為波帶片環(huán)數(shù))j=l，2，......m(m為相應(yīng)環(huán)上的微孔數(shù))。E(x，y，O)經(jīng)過二維空間離散傅里葉變換得到入射光在衍射屏上的角譜FO(fk，fy，0)。五(/,,/"0)=J"p(xj,O)exp[-_/2兀(/,+力力}&辦(2)—00—00在(2)中，fx，fy是空間頻率，fx=|，fY=|(a，P是波矢2與X軸，Y軸之間的夾角)。入射光經(jīng)過光子篩后沿Z方向傳播。在Z二z處，空間頻率的頻譜E.(fk，fy，z)為，/y,z)=,/r,0)exp(/2y-/』-2)(3)在(3)中，fxfy必須滿足條件f〗+f〗""2，此式表明，傳播一段距離的Z的效應(yīng)只是改變了各個(gè)角譜分量的相對相位。但是當(dāng)f〗+f》l/f時(shí)，空間頻率的頻譜E.(&，fy，Z)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>在(4)中，〃=宇由于^是一個(gè)正實(shí)數(shù)，這些波動(dòng)分量因傳播距離增大而迅速衰減。將(4)式做傅里葉逆變換，得到光波振幅E(x，y，z)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>五(x,乂z)=￡￡,/r,0)exp(/2;r——/r2.z)exp[/2tt(/a,x+A(5)以上是普通光子篩的衍射理論。針對位相型波帶片光子篩，需要修改的就是每一個(gè)透過率函數(shù)。由完全透光的圓形孔徑變成圓孔加上圓環(huán)位相型衍射單元。本發(fā)明給出了位相波帶片光子篩的設(shè)計(jì)參數(shù)。我們在圖3中給出了衍射光強(qiáng)的比較曲線。我們選擇了108環(huán)的普通光子篩和108環(huán)的位相型波帶片光子篩。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(huán)半徑和最小圓孔尺寸。這個(gè)尺寸受限于微電子的加工工藝的線寬。兩種位相板衍射比較為表1所示。普通光子篩的中心能量比是0.9592。由圖3可知，位相型波帶片光子篩較大幅度的提升了主斑衍射光強(qiáng)峰值，并且使得能量集中度有所提高。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表1本發(fā)明的位相波帶片光子篩在實(shí)際的應(yīng)用如圖4所示。1是準(zhǔn)直激光器，2是聚焦透鏡，3是本發(fā)明的位相型波帶片光子篩，4是CCD光電探型波帶片光子篩3，在聚焦透鏡2的焦平面上產(chǎn)生主斑衍射圖。這樣的衍射主斑強(qiáng)度分布可以由放在聚焦透鏡2的焦面上的CCD探測器4探測到并證實(shí)之。實(shí)驗(yàn)證明加入所設(shè)計(jì)的位相波帶片光子篩后，確實(shí)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場衍射光斑主瓣能量比普通光子篩的主斑能量的進(jìn)一步提升。這說明本發(fā)明可用于光束整形、微電子無掩模刻蝕、強(qiáng)激光能量集中，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。下面以一個(gè)108環(huán)的位相波帶片光子篩為例，描述其制作方法1、確定激光波長和光子篩焦距，環(huán)數(shù)；2、根據(jù)工作需要確定要制作的普通位相菲涅耳波帶片；3、按照參數(shù)制作波帶片周圍的光子篩。假設(shè)激光波長是6328納米，焦距是100毫米，環(huán)數(shù)是108環(huán)。其中波帶片的環(huán)數(shù)是50。這樣做可以保證最外環(huán)的寬度和最外環(huán)光子篩的直徑在一個(gè)尺度上，我們這里假設(shè)制作的線寬是18.2微米。假設(shè)微孔在菲涅耳波帶片偶數(shù)環(huán)帶，微孔的半徑從大到小是52.0988，33.7020，26,8437,22.9765，20,4109，18.5493，17.119115.9758，15,0348，14.2427，13.5639，12.9737，12.4544，11.992911.5792，11.2055，10.8658，10.5553，10.2699，10.0065，9.7624，9.53539.3234，9.1250微米。菲涅耳波帶片位相為0的圓環(huán)位置在奇數(shù)環(huán)，分別是0.3558-0.4357，0.5031-0.5625，0.6162-0.6656，0.7115-0.7547，0.7955-0.8343，0.8714-0.9070，0.9412-0.9743，1.0062-1.0372，1.0673-1.0965，1.1250-1.1528，1.1799-1.2064，1.2324-1.2578，1.2827-1.3071，1.3311-1.3547，1.3778-1.4006，1.4230-1.4451，1.4668-1.4882，1.5093-1.5302，1.5507-1.5710，1.5910-1.6107，1.6303-1.6496，1.6686-1.6875,1.7061-1.7246，1.7428-1.7609毫米。其余的部分是位相為兀的圓環(huán)部分。以上所述的具體實(shí)施實(shí)例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)的說明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換或者改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1、一種位相型波帶片光子篩，其特征在于，該位相波帶片光子篩由中心部分的位相菲涅耳波帶片圓環(huán)和包圍在該位相菲涅耳波帶片圓環(huán)周圍的光子篩圓孔構(gòu)成。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相波帶片光子篩，其特征在于，所述位相菲涅耳波帶片圓環(huán)和光子篩圓孔均制作在透明介質(zhì)上，先在透明介質(zhì)上制作位相菲涅耳波帶片，在該位相菲涅耳波帶片周圍制作光子篩，光子篩的圓孔包圍位相菲涅耳波帶片的圓環(huán)。3、'根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相波帶片光子篩，其特征在于，所述光子篩最外環(huán)小孔的直徑與位相菲涅耳波帶片最外環(huán)環(huán)帶的寬度一致，二者都受限于微細(xì)加工得最小線寬。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相波帶片光子篩，其特征在于，所述位相菲涅耳波帶片的環(huán)數(shù)由設(shè)計(jì)決定，最外環(huán)的寬度大于加工的最小線寬。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相型波帶片光子篩，其特征在于，所述光子篩在制作時(shí)所基于的波帶片與其內(nèi)部所包圍的位相菲涅耳波帶片的參數(shù)相同，且每個(gè)圓孔的直徑是相應(yīng)環(huán)帶寬度的1.5倍。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相型波帶片光子篩，其特征在于，所述光子篩環(huán)數(shù)的確定由其包圍的位相菲涅耳波帶片的環(huán)數(shù)決定，環(huán)數(shù)確定準(zhǔn)則是確保最外環(huán)圓孔的直徑與最外環(huán)波帶片寬度一致。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相型波帶片光子篩，其特征在于，所述各環(huán)帶衍射單元和光子篩的衍射圓孔共同構(gòu)成該器件的透光部分，其余部分不透光。全文摘要本發(fā)明公開了一種位相型波帶片光子篩，該位相波帶片光子篩由中心部分的位相菲涅耳波帶片圓環(huán)和包圍在該位相菲涅耳波帶片圓環(huán)周圍的光子篩圓孔構(gòu)成。所述位相菲涅耳波帶片圓環(huán)和光子篩圓孔均制作在透明介質(zhì)上，先在透明介質(zhì)上制作位相菲涅耳波帶片，在該位相菲涅耳波帶片周圍制作光子篩，光子篩的圓孔包圍位相菲涅耳波帶片的圓環(huán)。光子篩最外環(huán)小孔的直徑與位相菲涅耳波帶片最外環(huán)環(huán)帶的寬度一致，二者都受限于微細(xì)加工得最小線寬。光子篩在制作時(shí)所基于的波帶片與其內(nèi)部所包圍的位相菲涅耳波帶片的參數(shù)相同，且每個(gè)圓孔的直徑是相應(yīng)環(huán)帶寬度的1.5倍。利用本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了光子篩聚焦衍射光強(qiáng)的提高，即實(shí)現(xiàn)了激光束遠(yuǎn)場衍射斑的主斑能量的提升。文檔編號G03F7/20GK101661225SQ20081011897公開日2010年3月3日申請日期2008年8月27日優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日發(fā)明者明劉,謝長青,佳賈申請人:中國科學(xué)院微電子研究所