亚光波长微分干涉相衬光子筛偏振成像特性研究

Based on the novel idea of placing two phase-cuts horizontally and vertically at the center of a normal photon sieves respectively,we proposed a novel diffractive optical element called differential-interference-contrast photon sieves(DIC-PSs),which fully inherite the superior advantages of the diffraction patterns of normal photon sieves. DIC-PSs can convert the object phase gradient to the corresponding light intensity, thus improve the imaging resolution for transparent or low absorbing objects significantly. The principles, generation method and focusing properties of axially symmetric polarized beams will also be investigated,which will further improve the image quality by using their unique optical field distribution.By using electron-beam and X-ray mixed lithography, we will finish the fabrication of sub-wavelength DIC-PSs and the diffractive optical elements for the generation of axially symmetric polarized beams .We will reconstruct the point-spread-function of sub-wavelength d DIC-PSs by using photoresist exposure method, and characterize the performance of polarization imaging through CCD, and provide the experimental datas for polarization imaging in the sub-wavelength range. We will explore the influence of the polarization, numerical aperture, the laser wavelength，incident angle and the layout of micro/nano-meter pinholes on phase contrast imaging quality. Our results will provide the theoretical basis and technical reserves for the actual applications of DIC-PSs in nano-lithography, integrated circuit mask substrate detection, optical imaging of biological tissue, light telescope, and so on.

基于将常规光子筛分别沿水平和垂直方向进行两次相切的新思路，提出了微分干涉相衬光子筛器件新概念。该器件充分继承传统光子筛衍射模式优越等优点，将物体相位梯度变化信息转换为相应光强信息，从而大大提高透明或弱吸收物体成像分辨力。基于严格电磁场理论，建立亚光波长微分干涉相衬光子筛准随机排列微纳小孔布局设计方法和偏振成像物理模型，研究轴对称偏振光束器件机理、产生方法和聚焦特性，利用其独特光场分布进一步提高成像质量。基于成熟电子束+X射线混合光刻方法，集成研制出亚光波长微分干涉相衬光子筛和轴对称偏振光束器件。利用光刻胶曝光法重构点扩散函数，并基于CCD进行偏振成像性能检测，提供偏振成像基础实验数据，研究偏振状态改变、数值孔径、入射波长、入射角和微纳米小孔布局对相衬成像质量影响规律。为微分干涉相衬光子筛在纳米光刻、集成电路掩模版衬基检测、生物组织光学成像、轻型望远镜等领域应用提供理论依据和技术储备。

得益于微纳制造技术，尤其是集成电路平面工艺技术研究的快速进展, 自上世纪60年代开始,菲涅耳波带片的研究逐渐成为衍射光学元件学科的研究前沿。但是，传统菲涅耳波带片的光学分辨力约为其最外环宽度的1.22倍，而且其固有的背景噪声也会对聚焦和成像光学质量造成影响。为了克服这些缺点，在前期所提出的复合光子筛和微分干涉相衬光子筛的研究基础上，本项目进一步提出了微分干涉相衬复合光子筛新型元件，其基本原理是将复合光子筛分别沿水平和垂直方向进行两次相切，即对复合光子筛和光栅进行两次异或XOR运算。本项目对所提出的微分干涉相衬复合光子筛物理模型、设计方法、光学特性、集成制造和成像性能等进行了系统研究。基于严格电磁场理论，建立了相应的物理模型。研究了准随机排列微纳小孔布局设计对光学性能的影响，研究了轴对称偏振光束器件机理、产生方法和聚焦特性。基于成熟电子束+X射线混合光刻方法完成菲涅耳波带片和光子筛的集成。对微分干涉相衬复合光子筛新型元件的成像性能进行了理论分析和实验验证。研究了高级次衍射、窗函数、特征尺寸、XOR运算、准随机分布方法、针孔直径和环带带宽比等因素对分辨率和信噪比的影响规律。研究结果表明，同等加工条件下（即相同加工特征尺寸CD），通过有效光场调控，相对于传统波带片，微分干涉相衬复合光子筛新型元件的分辨率提高了1.7倍，从1.22CD提高到0.45CD，且信噪比提高了一个数量级，从-35.4dB提高到-46.1dB。研究结果证明了所提出的微分干涉相衬复合光子筛衍射模式的优越性，即高分辨力、高信噪比和大反差。项目取得了具有完全自主知识产权的研究成果，为该新型元件在纳米光刻、集成电路掩模版衬基检测、生物组织光学成像、轻型望远镜等领域应用提供了理论依据和技术储备。