一種透射式自聚焦單級衍射光柵的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及衍射光柵領域，具體涉及一種由一系列矩形孔和長矩形條擋光/透光 基元按照各自的分布規律隨機排列而成的自聚焦單級衍射光柵。
【背景技術】
[0002] 普通光柵是常用的分光元件，被廣泛應用于從可見光到軟X射線波段的光譜測量 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；在單色儀系統中， 普通光柵作為單色器的核心器件，實現光束的單色化。然而，普通光柵由于結構簡單，存在 一些固有的缺點。
[0003] 單一的普通光柵沒有聚焦效應，將其應用于光譜測量時光譜的譜分辨率會受到很 大的限制。在實際的光譜測量當中，對于反射式的情況，為了提高探測面上光譜的譜分辨 率，要與球面鏡、柱面鏡或者超環面鏡等聚焦器件聯合使用，實現在探測面上的聚焦，但是 聚焦器件的引入，無疑增加了系統的復雜性；對于透射式的情況，由于軟X射線波段無法添 加光學透鏡來實現聚焦，一般添加入射狹縫，通過限制入射光斑的尺寸來限制衍射光斑的 大小，從而提高光譜測量系統的譜分辨率，但是狹縫的限制，會大大降低光譜信號的強度。
[0004] 能夠同時達到分光和聚焦作用的自聚焦光柵能夠很好的解決這一問題。變線距光 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，被廣泛應用于同步輻射 光束線成像系統和平焦場光柵光譜儀中，且多用于真空紫外波段和X射線波段。但是，變 線距光柵一般用于反射式的工作方式，存在加工難度大、價格昂貴等缺點，限制了其應用范 圍。
[0005] 由光柵方程可知，無論是普通光柵還是變線距光柵都具有多級衍射的特性，在實 際應用當中，往往只有某一級次的衍射是真正需要的，其余的高級衍射會對所測光譜造成 干擾，降低光譜質量。為了消除光柵的高級衍射，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率函數為余弦透過率函數，在衍射屏的對 稱軸上只存在〇級和正負1級，能有效抑制高級衍射。隨后，曹磊峰研宄員及其合作者先后 發明了多種單級衍射光柵：量子點陣光柵（QDADG)、"之"字型光柵（ZZTG)、準正弦單級衍射 光柵（QSTG)和譜學光子篩（SPS)。這些光柵都具有二值化的結構，沿光柵衍射方向的透過 率函數為余弦透過率函數，能實現至少沿一維方向的單級衍射。但是，與普通光柵一樣，這 些單級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用。它由一系列黑白相間的同心圓環構成，每個同心圓環 帶被稱為半波帶，且每個半波帶的面積都相等。然而，FZP存在多焦點的問題，高次諧波的 次焦點會與基頻光的主焦點重合，從而帶來信號干擾。為了解決這一問題，人們尋找到了一 種理論上的解決辦法一一Gabor波帶片，其透過率呈嚴格的余弦分布，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率函數 在煒度方向和徑向同時存在變化，但是整體上要沿徑向呈余弦分布，大大降低了加工難度。
[0007] 本發明結合一維二值化Gabor波帶片的聚焦特性與QSTG單級衍射光柵的分光特 性，提出了一種具有自聚焦特性的單級衍射光柵。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，能實現能譜的線性測量。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是提供一種透射式自聚焦單級衍射光柵，可以較好的抑制高級衍射 和多焦點現象的發生，本發明的衍射模式不同于普通光柵，存在一個與光柵平面垂直的焦 平面，在焦平面上能實現能譜的自聚焦分光，提高譜分辨率。
[0009] 本發明的透射式自聚焦單級衍射光柵的特點是:基本構成基元是一系列隨機排布的 矩形孔和長矩形條，矩形孔和長矩形條具有相同的寬度，不同的長度；長矩形條的長度是矩形 孔長度的幾十到上百倍;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￡|，矩形孔基元的長度為矩形孔在每個光柵周期的
【主權項】
1. 一種透射式自聚焦單級衍射光柵，其特征在于：所述光柵的基本構成基元為一系 列隨機排布的矩形孔和長矩形條，矩形孔和長矩形條具有相同的寬度，不同的長度；長矩 形條的長度是矩形孔長度的幾十到上百倍；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度為
矩形孔在每個光柵周期的
范圍內按余弦分布規律隨機排布，透過率函數滿足
，為光柵沿著衍射方向的坐標；在以P為自變量的坐標系中， 長矩形條處于周期為的周期結構中，彳的物理意義為對應波帶片第一環帶的半徑；在 坐標系下，長矩形條的長度為^，長矩形條在每個周期的
范圍內按照的余弦分布 規律隨機排布，透過率函數滿足
；在矩形孔和長矩形條分布的 重疊區域，滿足兩類基元二維透過率函數相乘，
2. 根據權利要求1所述的透射式自聚焦單級衍射光柵，其特征在于：所述的透射式自 聚焦單級衍射光柵的矩形孔和長矩形條的長度和寬度為亞微米量級、微米量級及以上。
3. 根據權利要求1所述的透射式自聚焦單級衍射光柵，其特征在于：所述的透射式自 聚焦單級衍射光柵的矩形孔和長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. 根據權利要求1所述的透射式自聚焦單級衍射光柵，其特征在于：在所述的透射式 自聚焦單級衍射光柵的透光區域設置用于自支撐的加強筋。
5. 根據權利要求1所述的透射式自聚焦單級衍射光柵，其特征在于：所述的透射式自 聚焦單級衍射光柵的相鄰矩形孔之間和相鄰長矩形條之間的寬度是變化的。
6. 根據權利要求1所述的透射式自聚焦單級衍射光柵，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衍射光柵的相鄰矩形孔之間和相鄰長矩形條之間存在為 常數或不為常數的間距。
7. 根據權利要求1所述的透射式自聚焦單級衍射光柵，其特征在于：所述的透射式自 聚焦單級衍射光柵的矩形孔和長矩形條是透明表面上的由額外厚度引起位相差的透明矩 形孔和透明長矩形條。
【專利摘要】本發明提供一種透射式自聚焦單級衍射光柵，光柵中存在兩類基元：矩形孔和長矩形條。兩類基元具有相同的寬度，不同的長度。長矩形條的長度是矩形孔長度的幾十到上百倍。在垂直于光柵衍射方向，相鄰矩形孔之間和相鄰長矩形條之間緊密疊放在一起；在沿著衍射方向，矩形孔和長矩形條分別按照各自的分布規律隨機排布在光柵基底表面。在矩形孔和長矩形條排布的重疊區域，滿足兩者二維透過率函數相乘的關系。本發明只存在0級和正負1級衍射，能有效地消除高次諧波對光譜的影響；且存在一個與光柵平面垂直的焦平面，用于聚焦不同能量的光子。本發明集分光、聚焦和高次諧波抑制等特點于一身，且具有與普通光柵不同的衍射模式，是一種復合光學元件。
【IPC分類】G02B5-18
【公開號】CN104777540
【申請號】CN201510193509
【發明人】曹磊峰, 范全平, 劉鈺薇, 楊祖華, 魏來, 張強強, 陳勇, 錢鳳, 晏卓陽
【申請人】中國工程物理研究院激光聚變研究中心
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月23日