大口径平面微结构光子筛设计与成像特性研究

摘要

光子筛成像是近几年发展起来的一种新型成像器件和概念。具有体积小,重量轻,光谱范围可覆盖到软X射线、极紫外等传统折射或反射难以实现的区域。是近几年来的研究热点之一。本论文主要研究了光子筛成像的基本原理,计算和设计方法(包括严格解析解和专业软件方法)；光子筛参数的公差分析；提出了分区光子筛的设计方法,以及光子筛的制作技术并进行了实验成像验证,为大口径、高数值孔径光子筛的设计、制作打下了坚实基础和提出了方向。具体内容包括(1)光子筛成像机理研究,建立一个适合高数值孔径和任意波段的非近轴光子筛衍射的一般模型,建立光子筛焦平面上光场分布表达式,形成光子筛设计的主要理论基础。(2)光子筛成像特性与优化设计方法,重点研究了微孔在不同排列形式下对焦平面上光束聚焦特性的影响,得出了不同的微孔排列本质上等同于不同的微孔密度调制,为进一步优化光子筛成像特性提供了新的方向。(3)运用蒙特卡洛方法对光子筛结构参数的制作公差进行了分析,首次得出了微孔孔径和微孔沿径向分布位置的具体公差,为研制光子筛制作设备和像质分析提供了依据。(4)首次提出利用分区设计方法进行大口径光子筛思想和分区光子筛的设计原则,分别设计了口径为50mm,125mm,420mm焦距500mm的三分区和四分区光子筛,提供了解决大口径光子筛设计和制造难题的方案。(5)提出并利用专业软件ZEMAX进行光子筛计算和设计的思想,证明了利用ZEMAX进行光子筛设计可行性。利用ZEMAX对无解析解的椭圆孔光子筛和倾斜入射进行了计算。(6)首次实验制作了口径125mm的三分区以及四分区大口径光子筛器件,并进行了成像实验,成像测试结果与理论预计相吻合。