專利名稱：陣列環(huán)帶光子篩勻光器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及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)高斯波前和不規(guī) 則波前激光束在遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光場(chǎng)的波前平頂化，即實(shí)現(xiàn)接近于平面波前分布的光場(chǎng)的陣列 環(huán)帶光子篩勻光器及其制作方法。該種陣列環(huán)帶光子篩勻光器可用于光束整形、微電子 無(wú)掩?？涛g和其它需要平面波前的各種光路中。
背景技術(shù)：
通過(guò)各種途徑對(duì)于高斯波前和不規(guī)則波前激光束進(jìn)行勻光，使得光束變換成為 接近于平面波前的光束是一個(gè)實(shí)用的課題，在各種光路中都有廣泛的應(yīng)用，比如在光束 整形、微電子無(wú)掩?？涛g和其它需要平面波前的各種儀器中。能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能的光學(xué) 器件統(tǒng)稱為勻光器。位相調(diào)制技術(shù)是通過(guò)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首罡撸宰?br> 堂ffl幣川。所謂勻光器，也稱為勻束器，是一種改變?nèi)肷涔馐ㄇ耙詫?shí)現(xiàn)類似平面波前光 束的光學(xué)器件。一般的勻光器包括棱鏡法工作原理為當(dāng)一束光強(qiáng)分布近似高斯函數(shù)的準(zhǔn)平行激光束，通過(guò)棱鏡 時(shí)，光束被四面棱鏡分成四束光束，四束光束在X-Y面上疊加后，光束分布均勻性有較 好改善。在X-Y面上的一點(diǎn)的(X，y)，經(jīng)過(guò)四面棱鏡后，X-Y面上的光強(qiáng)變化百分比 小于3%，激光傳輸率可達(dá)94%，用棱鏡法可以獲得輸出光束很好的均勻效果和較高的 激光傳輸率，但棱鏡法的均勻效果僅在輸入光束嚴(yán)格對(duì)稱時(shí)才獲得理想的效果，并且獲 得均勻光束截面的位置極嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)于光楔的角度。反射鏡法工作原理為當(dāng)一束光強(qiáng)分布近似高斯函數(shù)的準(zhǔn)平行激光束經(jīng)過(guò)透鏡 L1聚焦到反射鏡M1上，經(jīng)過(guò)一次反射后，其能量分布將按照?qǐng)D1-2所示發(fā)生光束方向的 改變和能量疊加現(xiàn)象，同樣經(jīng)過(guò)透鏡L2和反射鏡M2后，光束將再一次疊加。這樣經(jīng)過(guò) 多次的光束疊加后，其初始的高斯光束能量分布將被均勻化。用反射鏡法也可以獲得輸 出光束很好的均勻效果和較高的激光傳輸率，但反射鏡法的裝配和調(diào)試極為困難。萬(wàn)花筒法工作原理為當(dāng)光強(qiáng)分布為近似高斯分布的入射光以最大入射角θ· 進(jìn)入光波導(dǎo)后，只有和透鏡光軸平行的或和光軸成一較小夾角的光線不經(jīng)過(guò)反射直接通 過(guò)波導(dǎo)管，其余入射光的光線將在波導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生反射到達(dá)輸出面的不同點(diǎn)上。萬(wàn)花筒法 制作、裝調(diào)簡(jiǎn)易，成本大大降低，能方便地改變輸出光斑的大小，但此系統(tǒng)的傳輸損耗 較大。柱面鏡法方法原理為由四片柱面鏡圍成一個(gè)中空的方形結(jié)構(gòu)，每片柱面鏡 安裝在一個(gè)精細(xì)調(diào)整架上，通過(guò)調(diào)節(jié)可以控制中空部分的尺寸和形狀，激光照射在裝置 上，中空部分激光直接透過(guò)，照射在邊緣柱面透鏡上的光將補(bǔ)償?shù)街虚g光的弱光強(qiáng)部分，通過(guò)計(jì)算柱面鏡的參數(shù)和適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)整旋鈕，就能得到均光效果，這種方法的優(yōu)點(diǎn) 是光束透過(guò)率較高，均光效果較好，但設(shè)計(jì)人員要求較高，設(shè)計(jì)人員需要計(jì)算鏡片參數(shù) 及設(shè)計(jì)高精度的微調(diào)機(jī)構(gòu)。復(fù)眼透鏡列陣法原理為蠅眼透鏡陣列聚光系統(tǒng)光路，由mXm片焦距和尺寸 相同的小透鏡組成的方形透鏡陣列L，透鏡列陣L把入射的準(zhǔn)直光束波面分割成m2束子 光束，在靶面上形成的光強(qiáng)分布實(shí)際是球面聚光鏡將各子光束會(huì)聚在其焦平面上的光強(qiáng) 的積分。使用透鏡陣列聚光系統(tǒng)，即使在入射光束近場(chǎng)分布均勻性很差的情況下，仍然 可以在焦平面上得到均勻的光照效果。陣列勻光器，又稱為陣列勻束器，是基于數(shù)學(xué)積分原理設(shè)計(jì)的，其可將光束分 成無(wú)限多個(gè)細(xì)小的光束，每個(gè)細(xì)小的光束內(nèi)部的能量分布是均勻的，將所有的小光束累 計(jì)疊加，就得到了在某一位置能量均勻分布的光斑。[參見，Linying，Lawrence Geoge N，Buck Jesse.Charaterization of excimerlasers for application to lenslet array homogenizer[J], Applied Optics, 2001，49(12) 1931-1941]。陣列勻光器的基本陣列單元可以是透鏡， 即上述的復(fù)眼透鏡陣列法，也可以是菲涅爾波帶片[參見劉勛，陳濤，左鐵釧，應(yīng)用于準(zhǔn) 分子激光波面整形的二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)研究，中國(guó)激光(?？?，2008年3月。]所謂光子篩，是一種新型聚焦成像衍射光學(xué)器件，利用它可以對(duì)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(wú)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(jí)衍射主極大等優(yōu)點(diǎn)，能提高成像的對(duì)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(lái) 對(duì)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.Sharperimages by focusing soft X-ray with photon sieves.Nature[J], 2001.414, 184—188.]。光子篩(Photon Sieve，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(Diffraction Optical Element, DOE)。環(huán)帶光子蹄[jiajia，xie changqing, Phase zone photon sieve, ChinesePhysics B, vol 18Nol, 2009]是一種新發(fā)明的光子篩器件的變種，它有比光子篩更好的性能。可以 在很多地方替代光子篩。該種環(huán)帶光子篩正在申請(qǐng)專利中。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種陣列環(huán)帶光子篩勻光器及其制作方 法，以實(shí)現(xiàn)將高斯光束和其他波前不均勻激光束變換為波前近似平面的衍射光束。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種陣列環(huán)帶光子篩勻光器，該陣列環(huán)帶光子 篩勻光器是一種在透明介質(zhì)上制造的環(huán)帶光子篩陣列，陣列的大小能夠使得入射的光束 完全被陣列所容納，采用環(huán)帶光子篩作為陣列的基本單元。
上述方案中，該環(huán)帶光子篩由多條同心的衍射孔環(huán)帶與多條同心的刻蝕圓環(huán)環(huán) 帶交替嵌套而成，且與該環(huán)帶光子篩中心距離最近的是一衍射孔環(huán)帶；衍射孔環(huán)帶的寬 度與刻蝕圓環(huán)環(huán)帶的寬度分別由該環(huán)帶光子篩中心向外逐漸遞減，且衍射孔環(huán)帶的寬度 與在遠(yuǎn)離該環(huán)帶光子篩中心方向與其相鄰的刻蝕圓環(huán)環(huán)帶的寬度相等，這樣在波帶片的 奇數(shù)環(huán)帶和偶數(shù)環(huán)帶都有透光部分，分別是奇數(shù)環(huán)的透光孔和偶數(shù)環(huán)的刻蝕位相環(huán)帶， 或者偶數(shù)環(huán)的透光孔和奇數(shù)環(huán)的刻蝕位相環(huán)帶，且每個(gè)透光孔的大小和相應(yīng)的刻蝕位相 環(huán)帶寬度相同。上述方案中，該環(huán)帶光子篩在小孔和環(huán)帶的地方透光，其余部分不透光，不透 光的地方鍍上鉻膜。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種制作陣列環(huán)帶光子篩勻光器的方法，該 方法利用大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)和平面光刻工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括利用電子束直寫法制作出母版；通過(guò)接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學(xué)玻璃上；利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕技術(shù)，將移到光學(xué)玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學(xué)玻璃中。上述方案中，所述通過(guò)接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學(xué)玻璃 上的步驟中，所述接觸曝光的復(fù)制誤差小于0.5 μ m，所采用的光刻膠為Shipley sl818， 厚度為1.8 μ m。上述方案中，所述將移到光學(xué)玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學(xué)玻璃中的步驟 中，所采用的刻蝕氣體為三氟甲烷CHF3,流量為30SCCM，RF功率為500W，偏置功率 為200W，對(duì)石英基底的刻蝕速率為0.077 μ m/min。(三)有益效果本發(fā)明提供的陣列環(huán)帶光子篩勻光器，是基于數(shù)學(xué)積分原理設(shè)計(jì)的，其可將光 束分成無(wú)限多個(gè)細(xì)小的光束，每個(gè)細(xì)小的光束內(nèi)部的能量分布是均勻的，將所有的小光 束累計(jì)疊加，就得到了在某一位置能量均勻分布的光斑。該種陣列勻光器的基本單元環(huán) 帶光子篩，是一個(gè)位相型的衍射元件，它的單獨(dú)功能是實(shí)現(xiàn)入射到其上的光束在遠(yuǎn)場(chǎng)的 波前平頂化，而且入射光束入射到該基本單元后，實(shí)現(xiàn)了光束的再聚焦和遠(yuǎn)場(chǎng)的擴(kuò)散， 從而實(shí)現(xiàn)了陣列器件的勻光，將高斯光束和其他波前不均勻激光束變換為波前近似平面 的衍射光束。


圖1是陣列環(huán)帶光子篩勻光器的基本衍射單元，環(huán)帶光子篩的示意圖。圖中 黑色為透光部分，位相為H，白色圓孔透光的部分位相為0，灰色為不透光的部分，鉻 膜。該環(huán)帶光子篩是基于10環(huán)菲涅爾波帶片的環(huán)帶光子篩。圓孔直徑和相應(yīng)菲涅爾波 帶片圓環(huán)寬之比為1。圖2是本發(fā)明陣列環(huán)帶光子篩勻光器實(shí)施例之一的10X10陣列光子篩勻光器的 示意圖，衍射單元是圖1 ；圖3 —束高斯光束入射到陣列環(huán)帶光子篩勻光器的示意圖。圖4是IOX 10陣列菲涅爾波帶片勻光器的示意圖。該種勻光器的基本衍射單元式菲涅爾波帶片，該種勻光器已公開發(fā)表。本發(fā)明列出這種勻光器的目的是把本發(fā)明的 陣列環(huán)帶光子篩環(huán)勻光器和陣列菲涅耳波帶片勻光器進(jìn)行對(duì)比，從而證明本發(fā)明的勻光 結(jié)果優(yōu)于陣列菲尼爾波帶片勻光器。圖5 —束高斯光束入射到陣列菲涅爾波帶片勻光器的示意圖。圖6高斯光束不入射到任何勻光器，入射到陣列菲涅爾波帶片勻光器，入射到 陣列環(huán)帶光子篩勻光器的衍射光束的強(qiáng)度對(duì)比圖。從圖中可以明顯看出不入射到任何 勻光器，高斯光束的光強(qiáng)度分布是一條高斯曲線。兩種勻光器都是實(shí)現(xiàn)了對(duì)高斯光束的 勻光，但是本發(fā)明提供的陣列環(huán)帶光子篩勻光器的勻光效果要比現(xiàn)有的陣列菲涅爾波帶 片勻光器的勻光效果要好。因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了更接近于平面波前的衍射光束。圖7是陣列環(huán)帶光子篩勻光器的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。陣列環(huán)帶光子篩勻光器是一種新型的衍射光學(xué)位相元件，即位相板。該位相板 放置于衍射極限透鏡之前或之后，對(duì)激光束遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光場(chǎng)進(jìn)行修正，即勻光，實(shí)現(xiàn)比入 射光束不規(guī)則波前(比如高斯光束)更接近于平面波前的衍射光束。本發(fā)明給出了陣列 環(huán)帶光子篩勻光器的設(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)證了采用陣列環(huán)帶光子 篩勻光器可以實(shí)現(xiàn)高斯光束波前的平頂化，即把高斯光束變換成為波前接近于平面波前 的衍射光束。本發(fā)明技術(shù)可用于光束整形、微電子無(wú)掩?？涛g和其它需要平面波前光束 的各種光路中。本發(fā)明提供的這種陣列環(huán)帶光子篩勻光器，是一種在透明介質(zhì)上，根據(jù)實(shí)際需 要制造的環(huán)帶光子篩的陣列，陣列的大小由實(shí)際需要給出。所謂環(huán)帶光子篩是該種陣列 型勻光器的基本單元。該環(huán)帶光子篩由多條同心的衍射孔環(huán)帶與多條同心的刻蝕圓環(huán)環(huán) 帶交替嵌套而成，且與該環(huán)帶光子篩中心距離最近的是一衍射孔環(huán)帶；衍射孔環(huán)帶的寬 度與刻蝕圓環(huán)環(huán)帶的寬度分別由該環(huán)帶光子篩中心向外逐漸遞減，且衍射孔環(huán)帶的寬度 與在遠(yuǎn)離該環(huán)帶光子篩中心方向與其相鄰的刻蝕圓環(huán)環(huán)帶的寬度相等。這樣在波帶片的 奇數(shù)和偶數(shù)環(huán)帶都有透光部分，分別是奇數(shù)環(huán)的透光孔和偶數(shù)環(huán)的刻蝕位相環(huán)帶，或者 偶數(shù)環(huán)的透光孔和奇數(shù)環(huán)的刻蝕位相環(huán)帶。每個(gè)透光孔的大小和相應(yīng)的刻蝕位相環(huán)帶寬 度相同。所謂陣列就是重復(fù)這個(gè)光子篩的結(jié)構(gòu)。圖2是本發(fā)明陣列環(huán)帶光子篩勻光器實(shí)施例之一的IOX 10陣列光子篩勻光器的 示意圖，衍射單元是圖1;圖中黑色為透光部分，位相為H，白色透光圓孔的位相為0， 灰色部分不透光。該環(huán)帶光子篩是基于10環(huán)菲涅爾波帶片的光子篩。圓孔直徑和相應(yīng) 菲涅爾波帶片圓環(huán)寬之比為1。由衍射光學(xué)角譜的結(jié)論可知設(shè)在ζ = 0平面上引入一個(gè)無(wú)窮大的包含有勻光器結(jié)構(gòu)的位相片，理想的高斯 光束照在勻光器上。勻光器的透過(guò)率函數(shù)為S (X，y，ζ):高斯光束透過(guò)勻光器光強(qiáng)為 E(x, y，0)，經(jīng)過(guò)二維空間離散傅里葉變換得到入射光在衍射屏上的角譜F0(fx，fy， 0)。
權(quán)利要求
1.一種陣列環(huán)帶光子篩勻光器，其特征在于，該陣列環(huán)帶光子篩勻光器是一種在透 明介質(zhì)上制造的環(huán)帶光子篩陣列，陣列的大小能夠使得入射的光束完全被陣列所容納， 采用環(huán)帶光子篩作為陣列的基本單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列環(huán)帶光子篩勻光器，其特征在于，該環(huán)帶光子篩由多條 同心的衍射孔環(huán)帶與多條同心的刻蝕圓環(huán)環(huán)帶交替嵌套而成，且與該環(huán)帶光子篩中心距 離最近的是一衍射孔環(huán)帶；衍射孔環(huán)帶的寬度與刻蝕圓環(huán)環(huán)帶的寬度分別由該環(huán)帶光子 篩中心向外逐漸遞減，且衍射孔環(huán)帶的寬度與在遠(yuǎn)離該環(huán)帶光子篩中心方向與其相鄰的 刻蝕圓環(huán)環(huán)帶的寬度相等，這樣在波帶片的奇數(shù)環(huán)帶和偶數(shù)環(huán)帶都有透光部分，分別是 奇數(shù)環(huán)的透光孔和偶數(shù)環(huán)的刻蝕位相環(huán)帶，或者偶數(shù)環(huán)的透光孔和奇數(shù)環(huán)的刻蝕位相環(huán) 帶，且每個(gè)透光孔的大小和相應(yīng)的刻蝕位相環(huán)帶寬度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列環(huán)帶光子篩勻光器，其特征在于，該環(huán)帶光子蹄在小孔 和環(huán)帶的地方透光，其余部分不透光，不透光的地方鍍上鉻膜。
4.一種制作陣列環(huán)帶光子篩勻光器的方法，其特征在于，該方法利用大規(guī)模集成電 路工藝技術(shù)和平面光刻工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括利用電子束直寫法制作出母版；通過(guò)接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學(xué)玻璃上；利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕技術(shù)，將移到光學(xué)玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學(xué)玻璃中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作陣列環(huán)帶光子篩勻光器的方法，其特征在于，所述通過(guò) 接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學(xué)玻璃上的步驟中，所述接觸曝光的復(fù) 制誤差小于0.5 μ m，所采用的光刻膠為Shipley sl818，厚度為1.8 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作環(huán)帶光子篩的方法，其特征在于，所述將移到光學(xué)玻璃 光刻膠上的圖案刻蝕到光學(xué)玻璃中的步驟中，所采用的刻蝕氣體為三氟甲烷CHF3,流量 為30SCCM，RF功率為500W，偏置功率為200W，對(duì)石英基底的刻蝕速率為0.077 μ m/ min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陣列環(huán)帶光子篩勻光器及其制作方法。該陣列環(huán)帶光子篩勻光器是一種在透明介質(zhì)上制造的環(huán)帶光子篩陣列，采用環(huán)帶光子篩作為陣列的基本單元。該環(huán)帶光子篩由多條同心的衍射孔環(huán)帶與多條同心的刻蝕圓環(huán)環(huán)帶交替嵌套而成，且與該環(huán)帶光子篩中心距離最近的是一衍射孔環(huán)帶；衍射孔環(huán)帶的寬度與刻蝕圓環(huán)環(huán)帶的寬度分別由該環(huán)帶光子篩中心向外逐漸遞減，且衍射孔環(huán)帶的寬度與在遠(yuǎn)離該環(huán)帶光子篩中心方向與其相鄰的刻蝕圓環(huán)環(huán)帶的寬度相等，且每個(gè)透光孔的大小和相應(yīng)的刻蝕位相環(huán)帶寬度相同。利用本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了將高斯光束和其他波前不均勻激光束變換為波前近似平面的衍射光束。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102023387SQ20091009327
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者劉明, 謝長(zhǎng)青, 賈佳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所