專利名稱：一種制作陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光光束波面整形技術領域，特別是一種用于實現(xiàn)高斯波前和不規(guī)則波前激光束在遠場衍射光場的波前平頂化，即實現(xiàn)接近于平面波前分布的光場的陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器及其制作方法。該種陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器可用于光束整形、微電子無掩?？涛g和其它需要平面波前的各種光路中。
背景技術：
通過各種途徑對于高斯波前和不規(guī)則波前激光束進行勻光，使得光束變換成為接近于平面波前的光束是一個實用的課題，在各種光路中都有廣泛的應用，比如在光束整形、微電子無掩?？涛g和其它需要平面波前的各種儀器中。能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能的光學器件統(tǒng)稱為勻光器。位相調(diào)制技術是通過改變衍射光線傳播截面的位相分布從而實現(xiàn)預期衍射光強分布的技術。用于進行調(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。因為衍射位相板光能的利用效率最高，所以最常用。所謂勻光器，也稱為勻束器，是一種改變?nèi)肷涔馐ㄇ耙詫崿F(xiàn)類似平面波前光束的光學器件。一般的勻光器包括棱鏡法工作原理為當一束光強分布近似高斯函數(shù)的準平行激光束，通過棱鏡時，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面上的一點的(X，y)，經(jīng)過四面棱鏡后，X-Y面上的光強變化百分比小于3%，激光傳輸率可達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格對稱時才獲得理想的效果，并且獲得均勻光束截面的位置極嚴格的對應于光楔的角度。反射鏡法工作原理為當一束光強分布近似高斯函數(shù)的準平行激光束經(jīng)過透鏡L1聚焦到反射鏡M1上，經(jīng)過一次反射后，其能量分布將按照圖1-2所示發(fā)生光束方向的改變和能量疊加現(xiàn)象，同樣經(jīng)過透鏡L2和反射鏡M2后，光束將再一次疊加。這樣經(jīng)過多次的光束疊加后，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。萬花筒法工作原理為當光強分布為近似高斯分布的入射光以最大入射角θ_進入光波導后，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)過反射直接通過波導管，其余入射光的光線將在波導管內(nèi)產(chǎn)生反射到達輸出面的不同點上。萬花筒法制作、裝調(diào)簡易，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中空的方形結構，每片柱面鏡安裝在一個精細調(diào)整架上，通過調(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，照射在邊緣柱面透鏡上的光將補償?shù)街虚g光的弱光強部分，通過計算柱面鏡的參數(shù)和適當調(diào)節(jié)調(diào)整旋鈕，就能得到均光效果，這種方法的優(yōu)點是光束透過率較高，均光效果較好，但設計人員要求較高，設計人員需要計算鏡片參數(shù)及設計高精度的微調(diào)機構。復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把入射的準直光束波面分割成m2束子光束，在靶面上形成的光強分布實際是球面聚光鏡將各子光束會聚在其焦平面上的光強的積分。使用透鏡陣列聚光系統(tǒng)，即使在入射光束近場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)學積分原理設計的，其可將光束分成無限多個細小的光束，每個細小的光束內(nèi)部的能量分布是均勻的，將所有的小光束累計疊力口，就得到了在某一位置能量均勻分布的光斑。[參見，Lin ying, Lawrence Geoge N,Buck Jesse. Charaterization of excimer lasers for application to lenslet arrayhomogenizer [J] ,Applied Optics, 2001,49 (12) :1931-1941]。陣列勻光器的基本陣列單?？梢允峭哥R，即上述的復眼透鏡陣列法，也可以是菲涅爾波帶片[參見劉勛，陳濤，左鐵釧，應用于準分子激光波面整形的二元光學元件的設計研究，中國激光(?？?，2008年3月。]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，這是一般棱鏡和玻璃材料的成像光學器件無法實現(xiàn)的。光子篩與傳統(tǒng)的光學元件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，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、易復制等優(yōu)點。光子篩可以應用于高分辨率顯微鏡、天文望遠鏡、下一代光刻，激光可控核聚變(ICF)研究等。在2001年，Kipper et al.首次提出了一種新型的衍射光學器件光子篩，用它來對軟 X 射線和 EUV 福射光源聚焦和成像[Kipp, L.，Skibowski, Μ.，Johnson, R. L.，Berndt,R. ,Adelung,R. , Harm,S. , and Seemann,R. Sharper images by focusing soft X-ray withphoton sieves. Nature[J]，2001. 414，184-188.]。光子篩(Photon Sieve,PS)是在菲涅耳波帶環(huán)上制作大量適當分布的具有不同半徑的透光微孔的衍射光學元件(Diffraction Optical Element, DOE)。部分環(huán)帶光子篩[jiajia, xie changqing, Phase zone photon sieve,ChinesePhysics B, vol 18 Nol，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。該種部分環(huán)帶光子篩的專利申請?zhí)?00810115562. 5。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器及其制作方法，以實現(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)技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器，該陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器是一種在透明介質(zhì)上，根據(jù)實際需要制造的部分環(huán)帶光子篩的陣列，陣列的大小由實際需要給出。所謂部分環(huán)帶光子篩是該種陣列型勻光器的基本單元。上述方案中，該部分環(huán)帶光子篩是一種在透明介質(zhì)上，先制造普通的光子篩，然后在其余的菲涅耳環(huán)帶處刻蝕圓環(huán)，形成位相型的菲涅耳環(huán)帶，環(huán)帶的位相是π。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。在刻蝕環(huán)帶，被光子篩圓孔所占據(jù)的部分并不刻蝕，位相仍為O。上述方案中，所謂陣列就是重復這個部分環(huán)帶光子篩的結構。為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種制作陣列部分環(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和平面光刻工藝技術實現(xiàn)，包括以下步驟利用電子束直寫法制作出母版；
通過接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學玻璃上；上述方案中，所述通過接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學玻璃上的步驟中，所述接觸曝光的復制誤差小于O. 5 μ m，所采用的光刻膠為Shipley sl818，厚度為 I. 8 μ m。上述方案中，所述將移到光學玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學玻璃中的步驟中，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，對石英基底的刻蝕速率為O. 077 μ m/min。(三)有益效果本發(fā)明提供的陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器，是基于數(shù)學積分原理設計的，其可將光束分成無限多個細小的光束，每個細小的光束內(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部分環(huán)帶光子篩，是一個位相型的衍射元件，它的單獨功能是實現(xiàn)入射到其上的光束在遠場的波前平頂化，而且入射光束入射到該基本單元后，實現(xiàn)了光束的再聚焦和遠場的擴散，從而實現(xiàn)了陣列器件的勻光。


圖I是陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器的基本衍射單元，部分環(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。該部分環(huán)帶光子篩是基于10環(huán)菲涅爾波帶片的部分環(huán)帶光子篩。圓孔直徑和相應菲涅爾波帶片圓環(huán)寬之比為1.5。圖2是本發(fā)明陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器實施例之一的10X10陣列光子篩勻光器的示意圖，衍射單元是圖I;圖3 —束高斯光束入射到陣列部分環(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)明的陣列部分環(huán)帶光子篩環(huán)勻光器和陣列菲涅耳波帶片勻光器進行對比，從而證明本發(fā)明的勻光結果優(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，入射到陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器的衍射光束的強度對比圖。從圖中可以明顯看出不入射到任何勻光器，高斯光束的光強度分布是一條高斯曲線。兩種勻光器都是實現(xiàn)了對高斯光束的勻光，但是本發(fā)明提供的陣列部分環(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。因為它實現(xiàn)了更接近于平面波前的衍射光束。圖7是陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器的實驗檢測裝置。
具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器是一種新型的衍射光學位相元件，即位相板。該位相板放置于衍射極限透鏡之前或之后，對激光束遠場衍射光場進行修正，即勻光，實現(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)明給出了陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器的設計結構，并進行了相關模擬實驗。實驗驗證了采用陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器可以實現(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)明技術可用于光束整形、微電子無掩?？涛g和其它需要平面波前光束的各種光路中。本發(fā)明提供的這種陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器，是一種在透明介質(zhì)上，根據(jù)實際需要制造的部分環(huán)帶光子篩陣列，陣列的大小由實際需要給出。所謂部分環(huán)帶光子篩是該陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器的基本單元。該部分環(huán)帶光子篩是一種在透明介質(zhì)上，先制造普通的光子篩，然后在其余的菲涅耳環(huán)帶處刻蝕圓環(huán)，形成位相型的菲涅耳環(huán)帶，環(huán)帶的位相是H。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。在刻蝕環(huán)帶被光子篩圓孔所占據(jù)的部分并不刻蝕，位相仍為O。所謂陣列就是重復這個光子篩的結構。圖2是本發(fā)明陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器實施例之一的IOX 10陣列光子篩勻光器的示意圖，衍射單元是圖I;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。圓孔直徑和相應菲涅爾波帶片圓環(huán)寬之比為1.5。由衍射光學角譜的結論可知設在z = O平面上引入一個無窮大的包含有勻光器結構的位相片，理想的高斯光束照在勻光器上。勻光器的透過率函數(shù)為S(x，y, z):高斯光束透過勻光器光強為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R)(fx，fy，0)。
on onE{fx,./; .0) = J J E{x, >',0) exp[- jln(Jx x + ./；
K=O(I)
a p _ P在⑴中，fx，fY是空間頻率，t =- iY =7 (α，β是波矢與X軸，Y軸之
AΛk
間的夾角)。入射光經(jīng)過勻光器后沿Z方向傳播。在Z = z處，空間頻率的頻譜E. (fx, fy，
權利要求
1.ー種制作陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器的方法，其特征在于，該方法利用大規(guī)模集成電路エ藝技術和平面光刻エ藝技術實現(xiàn)，包括 利用電子束直寫法制作出母版； 通過接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學玻璃上； 利用感應耦合等離子刻蝕技術，將移到光學玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學玻璃中。
2.根據(jù)權利要求I所述的制作陣列部分環(huán)帶光子篩勻光器的方法，其特征在于，所述通過接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學玻璃上的步驟中，所述接觸曝光的復制誤差小于O. 5 μ m，所采用的光刻膠為Shipley sl818,厚度為I. 8 μ m。
3.根據(jù)權利要求2所述的制作部分環(huán)帶光子篩的方法，其特征在于，所述將移到光學玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學玻璃中的步驟中，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，對石英基底的刻蝕速率為O. 077 μ m/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制作陣列部分環(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和平面光刻工藝技術實現(xiàn)，包括利用電子束直寫法制作出母版；通過接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學玻璃上；利用感應耦合等離子刻蝕技術，將移到光學玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學玻璃中。利用本發(fā)明，實現(xiàn)了對高斯光束和其它不均勻非平面波前光束的波前平頂化，實現(xiàn)光束的勻光，實現(xiàn)接近平面的波前光束。
文檔編號G02B5/18GK102681170SQ20121014224
公開日2012年9月19日 申請日期2009年9月16日 優(yōu)先權日2009年9月16日
發(fā)明者劉明, 謝長青, 賈佳 申請人:中國科學院微電子研究所