[发明专利]矩形孔单级衍射光栅

说明书

技术领域

本发明涉及衍射光栅领域，具体涉及一种由矩形孔透光/反光基元构成的二维规则排布的单级衍射光栅。

背景技术

光栅自18世纪80年代被发现以来，被广泛应用于物理学、天文学、化学、生物学等各个领域。大家主要应用光栅作为谱仪的核心元件来获取光谱，或者应用光栅作为单色器的核心元件获得单色光束，从而再进一步获取更多信息。

现有的光栅有透射式和反射式两大类，细分又有平面光栅和凹面光栅、等间距光栅和变线距光栅、闪耀光栅、全息光栅、多层膜光栅等。晶体的内部质点在三维空间成周期性重复排列，因此是一种天然的光栅，常用于X射线的衍射。

根据光栅方程和布拉格方程，上述光栅都有多级衍射的特性，在实际应用时，往往只有衍射的某一级次是真正需要的，其余的高级衍射会对所测光谱造成污染，带来误差，也会使单色光束遭受高次谐波的污染。

正弦光栅能实现可见光及波长更长电磁波的单级衍射，但是由于X射线穿透物质时既有振幅衰减，又有相位变化，因此正弦光栅也不能实现X射线短波波段的单级衍射。

为摆脱光栅高级衍射的问题，2002年，中国工程物理研究院曹磊峰在其博士论文《非相干全息成像技术和透射光栅谱学》中提出了谱学光子筛，这种新的光学元件可以较好地抑制高级衍射。2004年，中国工程物理研究院激光聚变研究中心提交了名称为《量子点阵衍射光栅》的发明专利申请（申请号为200410081499.X），量子点阵光栅可以较好地遏制高级衍射现象的发生。2006年，中国工程物理研究院激光聚变研究中心提交了名为《“之”字形衍射光栅》的发明专利申请（申请号为200610022736.4），“之”字形光栅的衍射模式在其对称轴上不存在高级衍射。

在制作加工时，谱学光子筛和量子点阵光栅均不能实现自支撑，也难以实现真空紫外到X光波段的应用，并且光栅结构基元在基底分布的随机和离散性使得电子束写入设备工作效率低，难以制作大面积的短波波段的谱学光子筛和量子点阵光栅掩模。

“之”字形光栅能够实现自支撑，虽然“之”字形光栅能在对称轴上实现单级衍射，但是其离轴较近的方向仍然存在许多较高亮度的高级衍射点，这些高级衍射点会在实际应用时带来一定干扰。

综上，现有的单级衍射光栅存在不能实现自支撑、难于制作、难以实现X射线波段应用等问题。为了克服上述问题，本发明旨在提供一种既能实现自支撑、又便于实际加工制作、同时又有较高的一级绝对衍射效率的单级衍射光栅，特别是能实现光栅在X射线波段的实际应。

发明内容

本发明的一种矩形孔单级衍射光栅，其特征是衍射光栅由规则矩形孔基元在基底二维方向周期性重复排列而成，光栅的基元矩形孔长宽比为3：2，矩形孔的长边与一维的轴线方向成45°夹角，同一维相邻的两个矩形孔对角线交点间的距离与矩形孔长边边长的比例为。

本发明的光栅是透射式光栅。

本发明的光栅是反射式光栅。

本发明的光栅的基底表面为平面或曲面。

本发明的光栅适用于可见光、紫外光、X射线等各个电磁波段。

本发明的光栅的基元尺寸可为亚微米量级，也可为微米量级及以上。

本发明的光栅可以转印为反光栅，也可以复制为复制光栅。

与现有普通光栅相比，本发明光栅能有效抑制高级衍射，能有效改善高级衍射污染，提高光谱的纯度和精度，提高单色光束的纯度。

与现有单级衍射光栅相比，本光栅最大的优势在于：

1、能实现自支撑；

2、基元为规则的矩形，规则的基元在基底周期性重复排列，大大提高了制作光栅掩模的效率和面积，降低了加工难度，易于实现制作X射线波段的光栅（例如制作1000线/毫米的X射线光栅，则最小的尺寸为 471nm）；

3、有较高的一级绝对衍射效率，计算机模拟与理论推导表明，远场衍射时，本发明光栅（透射式）一级绝对衍射效率高于3%；

4、更易于实际推广应用，特别是真空紫外到软X射线波段。

附图说明

图1为本发明所述矩形孔单级衍射光栅的结构示意图；

图2为本发明所述矩形孔单级衍射光栅的矩形孔基元及其尺寸比例示意图；

图3为本发明所述矩形孔单级衍射光栅的计算机模拟衍射斑点图；

图4为本发明所述矩形孔单级衍射光栅的计算机模拟衍射轴线图（对数坐标）；

图5和图6为占空比为1/3的普通光栅计算机模拟衍射轴线图（图5）与本发明所述矩形孔单级衍射光栅的计算机模拟衍射轴线图（图6）的对比图；