[发明专利]一种单级聚焦波带片及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及波带片技术，更具体的说，涉及一种单级聚焦波带片及其制造方法。

背景技术

1871年，Rayleigh发明了Fresnel波带片（Optics, Addison-Wesley, E. Hecht and A. Zajac），它同透镜类似，具有聚焦和成像的性质。Fresnel波带片由沿径向从内到外线密度逐渐增加的同心圆环带所构成，这些同心圆环带又称半波带，各个半波带的面积都是相等的，而且相邻偶数半波带或奇数半波带对应部分到焦点之间的光程差等于入射光波长。当电磁波入射到波带片表面上时，经过衍射，波带片将按照一种可预期的方式改变其电场的振幅、位相，或者同时改变其振幅和位相（http://www.gratinglab.com/）。最后，使入射的电磁波会聚在光轴上，会聚的位置与入射电磁波的波长有关，因此波带片可以用作聚焦、成像元件或者单色器波长选择元件。目前，Fresnel波带片已在远程光通信、测距、编码成像以及航天技术等领域获得了广泛的应用（菲涅耳波带片的设计和制作, 激光杂志, 张斌、王鸣、聂守平、谈苏庆），已知波带片的结构和种类也较多，有透射式的和反射式的，有振幅型的和位相型的，有聚焦型的和成像型的，有用于可见光波段的，也有用于X光波段的。所有这些波带片的奇数圆环带或偶数圆环带的透过率是相同的，不过奇数圆环带和偶数圆环带的透过率是不同的，所以波带片的透过率均沿径向呈阶跃变化，这种变化的特征不可避免地导致了波带片高级衍射的存在。

20世纪60年代末和70年代初，受点源全息图的启发，人们注意到了透过率沿径向以某种正弦或余弦规律变化的波带片，并称之为Gabor波带片（Efficiences of Zone Plates and Phase Zone Plates, Appl. Opt, Melvin H. Horman）。Gabor波带片具有单焦点的聚焦特征，不存在高级衍射。不过其存在难于制作的问题，以前人们通常采用记录全息图，然后曝光记录介质的方法来获得Gabor波带片，但这种方法容易受记录介质的非线性响应和点源的不确定性等问题的影响，且此方法不能制作适用于短波段（如X光波段）的Gabor波带片，原因如下：对于可见光等较长波段的入射光，制作的Gabor波带片仅对入射光的振幅进行调制，有效地抑制了高级衍射的发生。但是，当入射光为具有强穿透力的X光等短波段的射线时，制作的Gabor波带片在调制入射光振幅的同时，也使其位相产生不均匀的变化，从而又导致了高级衍射的产生。高级衍射的存在给波带片的应用带来了干扰并导致误差。例如，1.波带片作为聚焦元件使用时，得到的焦斑图像具有较强的背景，从而降低了焦斑图像的对比度。2.波带片作为单色仪或波长选择元件使用时，得到的单色光包含有一定的高次谐波成份。因此，通常的做法不能用来制作适用于X光波段的Gabor波带片。

1992年，Beynon和KirK等人提出了一种制作X光波段Gabor波带片的变通方法（Gabor zone plate with binary transmittance values, Optics Letters, T. D. Beynon, I. Kirk and T. R. Mathews），这种办法赋予了Gabor波带片二值化光学传递函数的特征，因而大大降低了Gabor波带片的制作难度，但是此方法设计出的Gabor波带片存在大量尺寸不等的尖角，大量尖角的存在直接限制了波带片的制作精度。

为了克服已有的制作Gabor波带片的方法中引入大量尖角的问题，本发明的单级聚焦波带片作为对Gabor波带片的一种实现避免了尖角的出现，它可以以较高的精度制作出来，且易于加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种单级聚焦波带片，本发明要解决的另一技术问题是提供一种单级聚焦波带片的制造方法。本发明的一种单级聚焦波带片易于制造，且精度较高，在太赫兹、红外、可见光以及紫外和X光等各可能应用波段，它都是对Gabor波带片的一种较好实现，不存在高阶焦点。

本发明的一种单级聚焦波带片，其特点是，所述的波带片包括：

透明衬底；

形成于所述透明衬底上的多个不透光基元，不透光基元的形状为多边形。

所述多边形为六边形、圆形、扇形或其它形状中的一种。

所述不透光基元为金属钽、铬、金、铝、铜、镍、铌制备的不透光材料。

所述不透光基元的厚度为300到800纳米。