[發(fā)明專利]一種波帶結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的效率計(jì)算方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202111484301.2
• 申請日: 2021-12-07
• 公開（公告）號: CN114236815A
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 童徐杰;陳宜方
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種波帶結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的效率計(jì)算方法。本發(fā)明推廣了薄光柵近似的Kirz公式，能夠用于計(jì)算X射線與極紫外波段具有波帶結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件的理論效率。本發(fā)明適用于能夠用函數(shù)表達(dá)的任意波帶形貌，包括矩形的波帶片形貌、三角形的Kinoform形貌等。同時也可以計(jì)算波帶形貌函數(shù)隨周期發(fā)生改變的特殊波帶結(jié)構(gòu)的效率，例如受工藝因素影響的非矩形波帶片。本發(fā)明提出的計(jì)算方法對光學(xué)元件的形貌進(jìn)行理論分析和效率計(jì)算，具有計(jì)算簡單，針對性強(qiáng)，適用場景廣泛的優(yōu)點(diǎn)，在波帶結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的設(shè)計(jì)以及性能分析上具有重要的指導(dǎo)作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種波帶結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的效率計(jì)算方法。

背景技術(shù)

在各類成像系統(tǒng)中，聚焦光學(xué)元件是至關(guān)重要的組成部分。其中，光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)與計(jì)算是設(shè)計(jì)與研發(fā)光學(xué)透鏡的首要且關(guān)鍵的步驟，對于透鏡的設(shè)計(jì)優(yōu)化、加工制備、性能評估具有重要的指導(dǎo)性作用。近幾年來，隨著透鏡分辨率的提高、制備工藝的多樣化，透鏡本身的微納結(jié)構(gòu)對聚焦效率的影響已經(jīng)無法被忽視。薄光柵近似公式(thin gratingapproximation)是Kirz在1974年提出的用于計(jì)算X射線與極紫外相位型波帶片效率的理論公式，可以方便地估算相位型矩形波帶片的理論聚焦效率。但是其只能用于相位型波帶片的理論效率計(jì)算，對于目前其他類型的波帶結(jié)構(gòu)透鏡，例如Kinoform透鏡，仍然存在限制。而對于實(shí)際工藝下制備的相位型波帶片通常也不是理想的矩形形貌，其側(cè)壁會因?yàn)楣に嚾毕莸挠绊懚a(chǎn)生傾斜，并且每個周期的厚度也不是完全一致，導(dǎo)致實(shí)測效率會大大偏離用Kirz公式估計(jì)的理論值。對于這些實(shí)際制備的透鏡的效率計(jì)算是一項(xiàng)繁瑣而龐大的工作，常用的光學(xué)仿真軟件例如FDTD、Comsol等在仿真極紫外和X射線的透鏡時往往存在計(jì)算量大、精度低、計(jì)算時間長等問題。

因此需要建立一種能夠快速有效地估計(jì)具有復(fù)雜形貌的波帶結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的計(jì)算方法，能夠考慮透鏡本身的微納結(jié)構(gòu)對聚焦效率的影響，從而提高其對實(shí)際波帶結(jié)構(gòu)光學(xué)元件效率的預(yù)測精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用時短、精度高的具有復(fù)雜形貌的波帶結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的效率計(jì)算方法。

具有復(fù)雜形貌的波帶結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的效率計(jì)算方法，是基于薄光柵近似公式的，具體步驟如下：

(1)設(shè)定入射光場以及光學(xué)元件參數(shù)；其中：

所述入射光場參數(shù)包括波長λ、振幅C；

光學(xué)元件參數(shù)包括：光學(xué)元件的波帶數(shù)N，光學(xué)元件所用材料的折射率n＝(1-δ)-iβ，1-δ與β分別代表該材料折射率的實(shí)部和虛部；第i個波帶的形貌函數(shù)為t_i(θ)，θ是在一個周期內(nèi)到焦斑的光程長度差，該函數(shù)描述高度t隨光程差θ的變化。所述的光學(xué)元件參數(shù)用于計(jì)算透鏡中的相移和振幅。i＝1，2，…，N；

(2)計(jì)算第i個波帶的相移函數(shù)Φ_i(θ)：

根據(jù)第i個波帶的形貌函數(shù)t_i(θ)，對應(yīng)的第i個波帶的相移函數(shù)可以表示為：

(3)已知相移函數(shù)，根據(jù)薄光柵近似公式求第i個波帶的振幅A_i：

(4)求第i個波帶的效率：

(5)根據(jù)1～N個波帶不同的形貌函數(shù)，重復(fù)以上的效率計(jì)算，由于每個波帶接受的初始光通量是一樣的，最后光學(xué)元件的總效率為所有波帶效率的平均值：

式(2)中的j表示虛數(shù)單位。

本發(fā)明中，所述光學(xué)元件具有波帶結(jié)構(gòu)。