一種透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衍射光柵領(lǐng)域，具體涉及一種由一系列矩形孔和長(zhǎng)矩形條擋光/透光 基元按照各自的分布規(guī)律隨機(jī)排列而成的自聚焦單級(jí)衍射光柵。
【背景技術(shù)】
[0002] 普通光柵是常用的分光元件，被廣泛應(yīng)用于從可見(jiàn)光到軟X射線(xiàn)波段的光譜測(cè)量 中。在光柵光譜儀中，普通光柵作為譜儀的核心分光元件，用于獲取光譜；在單色儀系統(tǒng)中， 普通光柵作為單色器的核心器件，實(shí)現(xiàn)光束的單色化。然而，普通光柵由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存在 一些固有的缺點(diǎn)。
[0003] 單一的普通光柵沒(méi)有聚焦效應(yīng)，將其應(yīng)用于光譜測(cè)量時(shí)光譜的譜分辨率會(huì)受到很 大的限制。在實(shí)際的光譜測(cè)量當(dāng)中，對(duì)于反射式的情況，為了提高探測(cè)面上光譜的譜分辨 率，要與球面鏡、柱面鏡或者超環(huán)面鏡等聚焦器件聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)在探測(cè)面上的聚焦，但是 聚焦器件的引入，無(wú)疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；對(duì)于透射式的情況，由于軟X射線(xiàn)波段無(wú)法添 加光學(xué)透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)聚焦，一般添加入射狹縫，通過(guò)限制入射光斑的尺寸來(lái)限制衍射光斑的 大小，從而提高光譜測(cè)量系統(tǒng)的譜分辨率，但是狹縫的限制，會(huì)大大降低光譜信號(hào)的強(qiáng)度。
[0004] 能夠同時(shí)達(dá)到分光和聚焦作用的自聚焦光柵能夠很好的解決這一問(wèn)題。變線(xiàn)距光 柵是最常用的自聚焦光柵，它集色散、自聚焦和消相差作用于一身，被廣泛應(yīng)用于同步輻射 光束線(xiàn)成像系統(tǒng)和平焦場(chǎng)光柵光譜儀中，且多用于真空紫外波段和X射線(xiàn)波段。但是，變 線(xiàn)距光柵一般用于反射式的工作方式，存在加工難度大、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用范 圍。
[0005] 由光柵方程可知，無(wú)論是普通光柵還是變線(xiàn)距光柵都具有多級(jí)衍射的特性，在實(shí) 際應(yīng)用當(dāng)中，往往只有某一級(jí)次的衍射是真正需要的，其余的高級(jí)衍射會(huì)對(duì)所測(cè)光譜造成 干擾，降低光譜質(zhì)量。為了消除光柵的高級(jí)衍射，2007年曹磊峰研宄員提出了二值化正弦透 射光柵（BSTG)的概念，該光柵沿一維方向的透過(guò)率函數(shù)為余弦透過(guò)率函數(shù)，在衍射屏的對(duì) 稱(chēng)軸上只存在〇級(jí)和正負(fù)1級(jí)，能有效抑制高級(jí)衍射。隨后，曹磊峰研宄員及其合作者先后 發(fā)明了多種單級(jí)衍射光柵：量子點(diǎn)陣光柵（QDADG)、"之"字型光柵（ZZTG)、準(zhǔn)正弦單級(jí)衍射 光柵（QSTG)和譜學(xué)光子篩（SPS)。這些光柵都具有二值化的結(jié)構(gòu)，沿光柵衍射方向的透過(guò) 率函數(shù)為余弦透過(guò)率函數(shù)，能實(shí)現(xiàn)至少沿一維方向的單級(jí)衍射。但是，與普通光柵一樣，這 些單級(jí)衍射光柵都不具有聚焦特性。
[0006] 眾所周知，菲涅耳波帶片（FZP)是X射線(xiàn)波段常用的聚焦元件，在慣性約束聚變 (ICF)研宄方面有非常重要的應(yīng)用。它由一系列黑白相間的同心圓環(huán)構(gòu)成，每個(gè)同心圓環(huán) 帶被稱(chēng)為半波帶，且每個(gè)半波帶的面積都相等。然而，F(xiàn)ZP存在多焦點(diǎn)的問(wèn)題，高次諧波的 次焦點(diǎn)會(huì)與基頻光的主焦點(diǎn)重合，從而帶來(lái)信號(hào)干擾。為了解決這一問(wèn)題，人們尋找到了一 種理論上的解決辦法一一Gabor波帶片，其透過(guò)率呈嚴(yán)格的余弦分布，不易加工制作。1992 年，Beynon和KirK等人提出了二值化Gabor波帶片的概念，這種波帶片允許透過(guò)率函數(shù) 在煒度方向和徑向同時(shí)存在變化，但是整體上要沿徑向呈余弦分布，大大降低了加工難度。
[0007] 本發(fā)明結(jié)合一維二值化Gabor波帶片的聚焦特性與QSTG單級(jí)衍射光柵的分光特 性，提出了一種具有自聚焦特性的單級(jí)衍射光柵。該光柵的衍射模式不同于普通光柵，存在 與光柵平面垂直的焦平面，能實(shí)現(xiàn)能譜的線(xiàn)性測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵，可以較好的抑制高級(jí)衍射 和多焦點(diǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，本發(fā)明的衍射模式不同于普通光柵，存在一個(gè)與光柵平面垂直的焦 平面，在焦平面上能實(shí)現(xiàn)能譜的自聚焦分光，提高譜分辨率。
[0009] 本發(fā)明的透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵的特點(diǎn)是:基本構(gòu)成基元是一系列隨機(jī)排布的 矩形孔和長(zhǎng)矩形條，矩形孔和長(zhǎng)矩形條具有相同的寬度，不同的長(zhǎng)度；長(zhǎng)矩形條的長(zhǎng)度是矩形 孔長(zhǎng)度的幾十到上百倍;在垂直于光柵衍射方向，相鄰矩形孔之間和相鄰長(zhǎng)矩形條之間緊密疊 放在一起;在沿著衍射方向，光柵周期為￡|，矩形孔基元的長(zhǎng)度為矩形孔在每個(gè)光柵周期的
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵，其特征在于：所述光柵的基本構(gòu)成基元為一系 列隨機(jī)排布的矩形孔和長(zhǎng)矩形條，矩形孔和長(zhǎng)矩形條具有相同的寬度，不同的長(zhǎng)度；長(zhǎng)矩 形條的長(zhǎng)度是矩形孔長(zhǎng)度的幾十到上百倍；在垂直于光柵衍射方向，相鄰矩形孔之間和相 鄰長(zhǎng)矩形條之間緊密疊放在一起；在沿著衍射方向，光柵周期為矩形孔基元的長(zhǎng)度為
矩形孔在每個(gè)光柵周期的
范圍內(nèi)按余弦分布規(guī)律隨機(jī)排布，透過(guò)率函數(shù)滿(mǎn)足
，為光柵沿著衍射方向的坐標(biāo)；在以P為自變量的坐標(biāo)系中， 長(zhǎng)矩形條處于周期為的周期結(jié)構(gòu)中，彳的物理意義為對(duì)應(yīng)波帶片第一環(huán)帶的半徑；在 坐標(biāo)系下，長(zhǎng)矩形條的長(zhǎng)度為^，長(zhǎng)矩形條在每個(gè)周期的
范圍內(nèi)按照的余弦分布 規(guī)律隨機(jī)排布，透過(guò)率函數(shù)滿(mǎn)足
；在矩形孔和長(zhǎng)矩形條分布的 重疊區(qū)域，滿(mǎn)足兩類(lèi)基元二維透過(guò)率函數(shù)相乘，
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵，其特征在于：所述的透射式自 聚焦單級(jí)衍射光柵的矩形孔和長(zhǎng)矩形條的長(zhǎng)度和寬度為亞微米量級(jí)、微米量級(jí)及以上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵，其特征在于：所述的透射式自 聚焦單級(jí)衍射光柵的矩形孔和長(zhǎng)矩形條為透明材料上的擋光基元或不透明材料上的透光 通孔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵，其特征在于：在所述的透射式 自聚焦單級(jí)衍射光柵的透光區(qū)域設(shè)置用于自支撐的加強(qiáng)筋。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵，其特征在于：所述的透射式自 聚焦單級(jí)衍射光柵的相鄰矩形孔之間和相鄰長(zhǎng)矩形條之間的寬度是變化的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵，其特征在于：在垂直于光柵衍 射方向，所述的透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵的相鄰矩形孔之間和相鄰長(zhǎng)矩形條之間存在為 常數(shù)或不為常數(shù)的間距。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵，其特征在于：所述的透射式自 聚焦單級(jí)衍射光柵的矩形孔和長(zhǎng)矩形條是透明表面上的由額外厚度引起位相差的透明矩 形孔和透明長(zhǎng)矩形條。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種透射式自聚焦單級(jí)衍射光柵，光柵中存在兩類(lèi)基元：矩形孔和長(zhǎng)矩形條。兩類(lèi)基元具有相同的寬度，不同的長(zhǎng)度。長(zhǎng)矩形條的長(zhǎng)度是矩形孔長(zhǎng)度的幾十到上百倍。在垂直于光柵衍射方向，相鄰矩形孔之間和相鄰長(zhǎng)矩形條之間緊密疊放在一起；在沿著衍射方向，矩形孔和長(zhǎng)矩形條分別按照各自的分布規(guī)律隨機(jī)排布在光柵基底表面。在矩形孔和長(zhǎng)矩形條排布的重疊區(qū)域，滿(mǎn)足兩者二維透過(guò)率函數(shù)相乘的關(guān)系。本發(fā)明只存在0級(jí)和正負(fù)1級(jí)衍射，能有效地消除高次諧波對(duì)光譜的影響；且存在一個(gè)與光柵平面垂直的焦平面，用于聚焦不同能量的光子。本發(fā)明集分光、聚焦和高次諧波抑制等特點(diǎn)于一身，且具有與普通光柵不同的衍射模式，是一種復(fù)合光學(xué)元件。
【IPC分類(lèi)】G02B5-18
【公開(kāi)號(hào)】CN104777540
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510193509
【發(fā)明人】曹磊峰, 范全平, 劉鈺薇, 楊祖華, 魏來(lái), 張強(qiáng)強(qiáng), 陳勇, 錢(qián)鳳, 晏卓陽(yáng)
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心
【公開(kāi)日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月23日