一种具有单级衍射特性的反射式波带片设计及制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有单级衍射特性的反射式波带片设计及制造方法。这种反射式波带片包括：透明衬底；在前述的透明衬底上形成多个高反射率的圆形基元；前述的圆形基元位于反射式波带片的椭圆环内随机分布且不相交；圆形基元的半径随着椭圆环宽度大小而变化，对于位于第n-1与n(n＞1的整数)环之间的基元半径范围为[rnmax，rnmin]，其中rnmax＝(an-an-1)／2，rnmin＝(bn-bn-1)／2，式中的an为第n环线的长轴，bn为第n环线的短轴。本发明的反射式波带片仅具有0级和正负1级衍射，可有效的抑制高级衍射，消除谐波污染；同时，本发明的反射式波带片具有二值化结构特征，易于制作实现。本发明的具有单级衍射特性的反射式波带片集色散、聚焦和高次谐波抑制于一身的特点，表明其可以用作软X射线光源聚焦、单色化和光谱分析等前沿科学的光学元件。
【专利说明】一种具有单级衍射特性的反射式波带片设计及制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及反射式波带片技术，更具体的说，涉及一种具有单级衍射特性的反射 式波带片设计及制造方法。
【背景技术】
[0002] 1871 年，Rayleigh 发明了 Fresnel 波带片（简称 FZP，Fresnel Zone Plate) (Optics，Addison_Wesley，E.Hecht andA.Zajac)，基于相邻环的光程为 λ / 2 的菲捏耳 透射式波带片是一种经典的光学元件，该元件的特性与透镜的聚焦、成像功能相似，然而其 性质又优于透镜的性质，它具有成本低、易制作、面积大、重量轻、可折叠等特性，在远程光 通信、光测距和宇航技术等领域发挥着极其重要的作用。特别是，它的两个特征是传统的透 镜无法比拟的：一是，焦距与波长呈相反的关系，而透镜却是呈正关系；二是，它对短波长 的光（极紫外/软X射线）亦有效，而透镜却不能，这是由它们色散原理的本质所决定的， 透镜是根据材料的折射性质实现聚焦，对于极紫外/软X射线而言，其折射率几乎为1，折 射材料对光波的吸收很强，利用一般材料的折射性质是无法实现聚焦的，而对于波带片而 言，其基本原理是衍射及干涉理论，是不受限于材料折射性质。尽管菲涅耳波带片有着诸 多优点，其聚焦光源尺寸也更小，然而这种波带片的聚焦能力受限于最外环的宽度，但是当 最外环更小，甚至小于l〇nm，其分辨率不再变化甚至更差，这是由于这种波带片结构所决定 的--体衍射效应。随着微加工技术的发展，加工技术可以突破传统的菲涅耳波带片lOmii 的限制。
[0003] 1997 年，T. Wilhein 提出了一种反射式波带片（简称 RZP，ref lection zone plate)，这种反射式波带片由一系列椭圆构成，其为获得空间分辨率小于10nm提供了不错 的选择，2005年，A. G. Michette在理论模拟上获得了几个nin的空间分辨率。反射式波带 片椭圆结构需要满足菲涅耳波带片的条件，即光源到聚焦点的环与相邻环的光程差需满足 λ / 2,其相移为π，波带片可看作是子午及弧矢方向光栅的叠加作用，这两个方向都需要 满足光栅方程表达式：d(Sina- Sini3) =ηλ式中，d为光栅常数（波带片的周期），包括 子午和弧矢方向，α，β分别为入射角和衍射角，η为衍射级数（为整数）。沿波带片的子 午方向截取波带片离轴的某一部分可有效的去除〇级光干扰，〇级衍射光和+1级的衍射成 像的聚焦点完全分开互不干扰。RZP与菲涅耳波带片结构的衍射原理是相同的，对于设计的 入射波长则会成像到理想的成像的焦斑位置，而有一定偏差的波长的入射光则会聚焦到理 想聚焦位置的两端的某一个位置，不同波长的入射光将聚焦在光轴的不同位置，因此该RZP 也具有色散功能，即"彩虹"效应。RZP可看作子午及弧矢方向光栅的叠加作用，因此这种波 带片具有两子午和弧矢方向的聚焦特性，RZP的子午方向决定了谱分辨能力，而弧矢方向决 定空间聚焦能力。同时，这种单一光学元件由于具有很好的聚焦、易操作以及光源利用率高 的特性，因此这种技术可广泛用于软X光实验诊断方面。
[0004] RZP是基于衍射光栅原理进行设计的，然而衍射光栅是一种多级衍射元件，由 Fraunhofer推导的光栅方程，由该方程可得知，波长为λ的整数分之一的所有组分（高次 谐波）将会衍射到同一个方向。以衍射光栅为核心元件的光源单色化技术不可避免的存在 高次谐波组分。高次谐波组分的存在严重制约了光谱分析技术的数据置信水平和精密化 程度。采用各种技术手段抑制或消除高次谐波是基于衍射光栅的传统光源单色化技术需要 考虑的首要问题。对于为解决FZP的高次谐波污染问题，人们寻找到了一种理论上的解决 办法-Gabor波带片，其透过率呈严格的余弦分布，直到1992年，Beynon和KirK等人提 出了二值化Gabor波带片的概念，这种波带片允许透过率函数在纬度方向和径向同时存在 变化，但是整体上要沿径向呈余弦分布。对于衍射光栅，2002年之后，中物院激光聚变中心 曹磊峰等提出了准随机阵列二值化菲涅耳波带片以及应用于光栅二值化的谱学光子筛。
[0005] 本发明则是基于上述的二值化正弦光栅理论，针对RZP的高级衍射，提出了一种 根据环带宽度变化的具有单级衍射特性的反射式波带片结构设计和制造方法，本发明具有 单级衍射特性的反射式波带片是一种具有独特结构，集色散、聚焦、消除0级光干扰和抑制 高次谐波的优秀特性于一身的新型软X射线光学元件。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题主要包括两项，一是提供一种具有单级衍射特性的反射 式波带片，二是提供一种具有单级衍射特性的反射式波带片制造方法。本发明的一种单级 聚焦波带片易于制造，且精度较高，可以根据应用波段（如太赫兹、红外、可见光以及紫外 和X光）各可能应用波段，设计和制造相应的具有单级衍射特性的反射式波带片，且均能高 效的抑制高次谐波衍射。
[0007] 本发明的一种具有单级衍射特性的反射式波带片，包括：
[0008] 1)透明衬底，为二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺中的一种制成的透明材制 成；
[0009] 2)在所述透明衬底上形成多个高反射率基元，形状为圆形。
[0010] 所述的高反射率基元材料为在掠入射条件下能够对软X射线实现高反射的材料， 如金、铝、铜、镍、铌、钽、铬等，薄膜厚度一般为300到800纳米；
[0011] 所述多个高反射圆形基元位于反射式波带片的椭圆环内随机分布且不相交，同 时，圆形基元的半径随着椭圆环宽度变化而变化，对于位于第n-1与n (n > 1的整数）环之 间的基元，其半径范围为其中1*_= (an-a^) / 2，rMin= (WD / 2,式中 的an为第η环线的长轴，bn为第η环线的短轴；
[0012] 本发明的一种具有单级衍射特性的反射式波带片的制造方法，包括：
[0013] 1)提供透明衬底，由二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺中的一种透明材料
[0014] 制成；
[0015] 2)在透明衬底上涂覆高反射率材料（如金、铝、铜、镍、铌、钽、铬等），通过
[0016] 光刻等方法，在透明衬底上形成多个高反射率基元
[0017] 步骤2)中所述的所述多个高反射率圆形基元位于反射式波带片的椭圆环内随机 分布且不相交，同时，圆形基元的半径随着椭圆环宽度变化而变化，对于位于第n-Ι与η (η > 1的整数）环之间的基元，其半径范围为[ΓΜ，ΓΜ?η]，其中]^ = (an-aj / 2，rMin = (WO / 2,式中的an为第η环线的长轴，bn为第η环线的短轴；
[0018] 与现有技术相比，本发明的具有单级衍射特性的反射式波带片具有以下优点：
[0019] 1)本发明的反射式波带片，由其特殊结构的设计使得这种波带片具有单焦点的聚 焦特性，只有〇级和正负1级衍射，不存在高阶焦点，这样本发明的反射式波带片是一种集 色散、聚焦、消除0级光干扰和抑制高次谐波优秀特性于一身的新型软X射线光学元件，因 此作为单色仪或者是光谱仪的分光元件使用时，可高效的滤除因高级衍射带来的高次谐波 成份，提高出射光的单色性能。
[0020] 2)本发明的反射式波带片结构只存在透光和不透光两种区域，是一种二值化的结
[0021] 构，便可采用标准的半导体工艺制作，另外，本发明的高反射率的基元形状
[0022] 为圆形，不存在尖锐的角，因此其制作精度更容易控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明实施例的具有单级衍射特性的反射式波带片的局部结构图；
[0024] 图2为本发明实施例的具有单级衍射特性的反射式波带片的设计结构示意图；
[0025] 图3为本发明实施例的具有单级衍射特性的反射式波带片沿反射式波带片子午 方向的规一化单周期的反射率函数与正弦反射式波带片的反射率函数的比较；
[0026] 图4为本发明实施例的具有单级衍射特性的反射式波带片设计原理示意图；
[0027] 图5为与本发明实例的具有单级衍射特性的反射式波带片相对应的黑白传统反 射式波带片的衍射特性，以及高次谐波的衍射特性（5倍频）；
[0028] 图6为本发明实施例的具有单级衍射特性的反射式波带片的衍射特性；
[0029] 图7为本发明实施例的具有单级衍射特性的反射式波带片的3倍频高次谐波成分 的衍射特性；
[0030] 图8为本发明实施例的具有单级衍射特性的反射式波带片的5倍频高次谐波成分 的衍射特性；
[0031] 图9为本发明实施例的具有单级衍射特性的反射式波带片的加工制作流程示意 图。
【具体实施方式】
[0032] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的【具体实施方式】做详细的说明。
[0033] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以 采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的 情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0034] 其次，本发明结合示意图进行详细描述，示意图仅作示例用，其在此不应限制本发 明保护的范围。此外，在实际制作中应包含相应的长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0035] 正如【背景技术】部分所述，传统的黑白反射式波带片的多级衍射，存在着高次谐波 衍射问题，其严重限制了 X射线光谱诊断和光源单色化方面技术，本发明实例对该问题进 行了分析。
[0036] 实施例
[0037]为此，本实施例公开一种适用于软X射线波段的具有单级衍射特性的反射式带 片，参考图1和图2所不，包括：
[0038] 1)透明碳化硅衬底；
[0039] 2)在透明衬底上形成具有二维分布的多个圆形高反射率基元阵列。图1所示为本 发明的具有单级衍射特性的反射式波带片60环局部结构图，图中白色填充的变半径的圆 形基元为高反射率基元。黑色区域为透明的薄膜。图2为本发明的结构设计示意图，图中 的圆形结构为本发明所述的基元，环线为波带片的椭圆环线，基元在环线之间随机分布、不 彼此不相交且不超过环线，圆形基元的半径随着椭圆环宽度变化而变化。对于位于第n-1 与n(n > 1的整数）环之间的基元，其半径范围为[r_，1"^]，其中max = (a^M) / 2， r"in= (Wi) / 2,式中的an为第η环线的长轴，bn为第η环线的短轴；所述的椭圆环由 以下式子决定：
【权利要求】
1. 一种单级聚焦波带片，其特征包括： 第一种模式： 透明衬底； 在上述的透明衬底上形成一层高反射率的薄膜，材料一般为金、铝、铜、镍、铌、钽、铬 等； 在上述的高反射薄膜上形成具有二维分布的多个透明基元，基元的形状为圆形。 第二种模式： 透明衬底； 在上述的透明衬底上形成具有二维分布的多个高反射率基元，基元的形状为圆形。 本发明接下来的内容均按照第二种模式进行分析和论述。
2. 根据权利要求1所述的具有单级衍射特性的反射式波带片，其特征在于：所述的高 反射率基元材料为在掠入射条件下能够对软X射线实现高反射的材料，如金、铝、铜、镍、 银、组、络等。
3. 根据权利要求1所述的具有单级衍射特性的反射式波带片，其特征在于：所述的高 反射率基元厚度一般为300到800纳米。
4. 根据权利要求1所述的具有单级衍射特性的反射式波带片，其特征在于：所述多个 圆形基元位于反射式波带片的椭圆环内随机分布且不相交，同时，圆形基元的半径随着椭 圆环宽度变化而变化，对于位于第n-1与n(n > 1的整数）环之间的基元，其半径范围为 [rnnwiwJ,其中1*""2= (an-an) / 2，ΓΜ?η= (bn-bn) / 2,式中的 an 为第 η 环线的长轴， bn为第η环线的短轴。
5. 根据权利要求1中所述的具有单级衍射特性的反射式波带片，其特征在于：所述透 明衬底为二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺制成的透明材料。
6. 根据权利要求1所述的具有单级衍射特性的反射式波带片，其特征在于：在透明衬 底上通过涂覆高反射材料，通过光刻等方法获得高反射率基元。
7. -种具有单级衍射特性的反射式波带片的利记博彩app，其特征在于： Α、提供透明衬底； Β、在所述衬底上形成多个高反射圆形基元。
8. 根据权利要求7所述的具有单级衍射特性的反射式波带片的制备方法，其特征在 于：步骤Β中所述的多个高反射基元的分布为沿椭圆环内均匀随机分布且不相交，所述的 椭圆环由以下式子决定： nAcosO xn _ nf λ η 2vsin2^_ sin2 θ sin2 θ 5 RjIL+\ 式中,-rRl,R2,f, θ，λ分别为物距、像距、焦距、入射光的掠入射角和设计 的反射式波带片波长。
9. 根据权利要求7所述的具有单级衍射特性的反射式波带片的制备方法，其特征在 于：所述透明衬底为由二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺中的一种透明材料制成。
【文档编号】G02B5/18GK104111488SQ201310495797
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】曹磊峰, 杨祖华, 魏来, 张强强, 谷渝秋, 张保汉 申请人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心