大口径光子筛小孔环带设计方法研究

【摘要】：光子筛是为提高软X射线的聚焦能力而设计的衍射光学元件,通过在菲涅尔波带的基础上构造一系列环形排列的小孔而成。因其分辨率高、结构轻巧、适用波段宽(可见光到X射线)等优点而在空间望远、光刻、显微、仿生眼等物理和生命学领域具有广泛的应用前景。目前大口径光子筛的设计存在效率低、边缘小孔直径过小不便于加工和切趾设计过于依赖经验等问题。本论文在光子筛小孔衍射模型的基础上,研究了“小孔环带”作为聚焦的基本单元的聚焦特性,通过大量的数据仿真研究了小孔的大小和密度对单个小孔环带衍射光场特性的影响,并就等距切趾和不等距切趾两种不同的光瞳函数的理解方式做了比较,发现不等距切趾的光瞳函数更符合实际情况。论文的第三章通过理论推导研究了用于快速计算大口径光子筛衍射光场的小孔环带衍射模型并完善了其适用条件,通过三个环带序数的边界条件可以快速计算出准确的光子筛衍射光场。第四章得到了用于指导光子筛切趾设计的小孔环带简化模型,从光场叠加和振幅相消的原理上解释了切趾这一设计手段的本质,大大提高了大口径光子筛的设计效率和可操作性。最后,论文的第六章进行了口径0.2m、焦距1m的大口径光子筛的设计,验证了小孔环带衍射模型计算大口径光子筛衍射光场的准确性和小孔环带简化模型用于光子筛切趾设计的合理性,同时加入小孔直径调控得到了灵活的分区切趾设计,增加了切趾设计的多样性和对衍射旁瓣的抑制效果。通过本论文的研究,为解决目前大口径光子筛的设计中存在的一些问题提供了新的方法和思路。使用小孔环带模型和小孔环带简化模型后,大口径光子筛衍射光场的计算时间降低为万分之一,边缘小孔的直径可提高到普通切趾的5倍甚至更高,切趾的手段也更加丰富和准确。