光子筛光学特性研究

发布时间：2017-10-30 19:03

  本文关键词：光子筛光学特性研究

  更多相关文章： 光子筛 矢量衍射 偏振特性 长焦深光子筛 色差补偿 方孔光子筛

【摘要】：在极紫外、软X射线及硬X射线等极短波谱范围,传统的光学材料吸收性极强,因此折射光学系统难以适用,而衍射光学系统可以胜任。菲涅尔波带片就是一种特殊的衍射结构,它是由一系列宽度不同的同心圆环组成,通过各环带的衍射光在焦面发生相干叠加形成聚焦光斑。近年,随着人们对分辨力的要求日益苛刻,需要更高分辨力的衍射光学元件,然而菲涅尔波带片的分辨力极限由其最外环宽度的特征尺寸决定,严重受限于现有微细加工技术水平。2001年,Kipp等人提出了光子筛的概念,采用微纳透光小孔取代菲涅尔波带片的环带结构。与菲涅尔波带片相比,光子筛具有明显的优势:(1)在相同的最小特征尺寸下,光子筛具有更高的分辨力;(2)光子筛设计自由度更大,通过优化设计微纳小孔的直径、位置和数量,能够更好的抑制旁瓣和其他衍射级次,成像对比度更好;(3)光子筛不存在分离结构,不需要额外的支撑结构,更加利于轻量化的实现。由于这些优点,光子筛在阵列直写光刻、大口径望远镜以及X射线聚焦成像等领域已经逐步取代菲涅尔波带片,成为研究热点。本论文对光子筛的光学特性作了比较全面的研究。针对光子筛低数值孔径和高数值孔径的不同情形,分别分析了其标量衍射和矢量衍射特性,并对两种情况下的设计方法进行比较,证实了高数值孔径下对光子筛结构进行重新优化的必要性;利用光子筛小孔位置和尺寸变化对相位的共同调制特性,设计了新型的准相位型光子筛,在相同加工条件下,能够实现更加锐利的聚焦光斑;分析了照明光源对光子筛聚焦特性的影响,重点分析光源偏振特性对高数值孔径光子筛聚焦特性的影响,对线偏振光、径向偏振光以及角向偏振光三种特殊情况进行了数值仿真分析,表明偏振特性对衍射光场的横向分布和纵向分布都存在显著的影响;对光子筛的焦深特性进行研究,并设计了长焦深光子筛,阐述两种不同设计思路,并进行数值仿真,验证两种设计均能实现纵向强度一致性较好的聚焦光斑;研究了光子筛的像差特性,重点研究光子筛的色差特性,并进行了色差补偿设计,实现了连续较宽光谱范围和离散多波长照明条件下的聚焦,初步提出光子筛波像差等效模型的建立方法;分析了光子筛制作误差对聚焦效果的影响,针对大口径、低数值孔径光子筛应用和加工需求,提出一种方孔型光子筛结构及制作方法,进行了理论分析、数值仿真和实验验证,证明该光子筛在保持聚焦特性的同时,制作过程中耗时更少、成本更低。
【关键词】：光子筛 矢量衍射 偏振特性 长焦深光子筛 色差补偿 方孔光子筛
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（光电技术研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O572.31
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 前言9-10
• 1.2 国内外研究进展10-15
• 1.2.1 光子筛特性的理论研究10-11
• 1.2.2 光子筛优化设计11-13
• 1.2.3 光子筛应用研究13-15
• 1.3 本论文研究内容15-16
• 1.4 章节安排16-17
• 2 光子筛衍射理论17-36
• 2.1 引言17
• 2.2 菲涅尔波带片成像理论17-18
• 2.3 光子筛标量衍射模型18-22
• 2.4 低数值孔径光子筛设计22-27
• 2.5 入射光源对光子筛成像特性的影响27-32
• 2.5.1 光源为点光源情况28-29
• 2.5.2 高斯光束垂直入射情况29-30
• 2.5.3 高斯光束倾斜入射情况30-32
• 2.6 光子筛矢量衍射模型32-33
• 2.7 高数值孔径光子筛优化设计33-35
• 2.8 小结35-36
• 3 光子筛偏振特性研究36-45
• 3.1 引言36
• 3.2 线偏振光36-38
• 3.3 径向偏振光38-40
• 3.4 角向偏振光40-41
• 3.5 实验验证41-44
• 3.6 小结44-45
• 4 光子筛焦深特性研究45-56
• 4.1 引言45
• 4.2 普通光子筛的焦深特性45-48
• 4.3 长焦深光子筛设计48-55
• 4.3.1 扇形分区48-51
• 4.3.2 环形分区51-55
• 4.4 小结55-56
• 5 光子筛像差特性研究56-66
• 5.1 引言56
• 5.2 光子筛的色差特性研究56-64
• 5.2.1 理论推导56-59
• 5.2.2 设计实例59-64
• 5.3 光子筛的等效波像差模型64-65
• 5.4 小结65-66
• 6 光子筛制作方法及加工误差分析66-83
• 6.1 光子筛制作方法66-68
• 6.2 光子筛加工误差分析68-72
• 6.2.1 小孔半径误差的影响68-69
• 6.2.2 小孔中心位置误差的影响69-70
• 6.2.3 小孔边缘粗糙度的影响70-71
• 6.2.4 小孔椭圆度的影响71-72
• 6.3 采用步进投影数字光刻技术制作光子筛的方法72-82
• 6.3.1 步进数字投影光刻技术72-75
• 6.3.2 方孔型光子筛设计75-78
• 6.3.3 方孔型光子筛制作流程78-81
• 6.3.4 方孔型光子筛聚焦实验81-82
• 6.4 小结82-83
• 7 总结与展望83-85
• 7.1 论文总结83
• 7.2 论文创新点83-84
• 7.3 展望84-85
• 参考文献85-93
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果93

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本文编号：1118888