什么是菲涅耳波带板(Fresnel Zone Plates)?

发布时间:2023-02-15 00:00:00.000Z

菲涅尔区板被广泛用于放大和聚焦光学设备,提供高分辨率。它们由圆形光栅组成,其线密度在径向上不断增加。菲涅尔区板使用衍射而不是反射或折射,如透镜或弧形镜。

菲涅尔区板,什么是菲涅尔区板

这张图显示了菲涅尔区板和光子筛的区别。后者点缀着数百万个精确加工的孔。图片来源:美国国家航空航天局

一组同心环在透明和不透明之间交替出现,打在透明环上的光线被透射,而打在不透明环上的光线被衍射。环之间的间距决定了衍射光在所需焦点上的干涉,从而形成图像。

菲涅尔区板的目的

普通透镜对X射线不透明。因此,菲涅尔区板被用作普通透镜的替代品,将X射线聚焦在一个点上。此外,各种基于光谱学的任务需要一个高的局部灵敏度,这可以通过这些板来实现。

增强的灵敏度可以检索到有关化学元素的空间分布和氧化状态的信息,否则无法使用电子显微镜获得这些信息。

菲涅尔区板是如何工作的?

菲涅尔区板的一面是脊状的,另一面是平的。菲涅尔区板的操作是基于相移调制或振幅。在基于振幅的机制的情况下,侵犯不透明区域的光线被抑制。因此,通过透明区的光在焦点处受到干扰。在相移机制中,衍射是基于相位调制的,而不是基于抑制部分具有错误相位的入射辐射。

菲涅尔区板的应用

物理学
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传统的透镜材料,如玻璃,在电磁波谱的可见区以外的许多波长的光中是不透明的,这使得透镜的制作更具挑战性。同样,对于许多波长来说,不存在折射率明显大于1的材料。

菲涅尔区板不需要每个光谱区域的透明、折射或简单制造的材料。由于同一区域板将不同波长的光集中到不同的焦点上,它们也可以用来阻挡不需要的波长,同时集中感兴趣的光。

摄影
在摄影中,区板被用来代替镜头或针孔,以创造一个发光的、软焦点的图像。除了用区板获得不寻常的模糊效果外,区板比针孔的一个优点是可见区域更大。因此,曝光期缩短,区板的有效焦距数比相应的针孔小。

望远镜
在一个由太阳帆推动的深空航天器上,一个由太阳帆材料制成的菲涅尔区板透镜作为一个非常大口径望远镜的主要光学元件。 这种类型的透镜可以作为太阳能聚光器和激光通信的用途。

核医学
菲涅尔区板的孔径能够以编码的形式记录伽马射线图像,类似于全息图。医生可以利用这一优势,要么缩短产生图像的时间,要么提供较低剂量的放射性药物。

菲涅尔区板的最新发展

最近发表在《超声学》上的一篇文章将菲涅尔区板透镜用于约5MHz的水下声音聚焦。在这项工作中,作者实现了聚焦点稳定的亚波长半数全宽(FWHM),并观察到透镜直径和焦距之间的准线性关系,这在数值上、理论上和实验上都得到了验证。

另一项发表在《科学报告》上的工作报告了使用聚乳酸(PLA)的商业三维(3D)打印机开发的相位反转菲涅尔区板,并提出它是索雷特菲涅尔区板的高效和磁共振成像(MRI)兼容的替代品。作者提到,相位反转菲涅尔区板利用了入射能量并增加了相位补偿区域。与索雷特菲涅尔区板相比,制造的相位反转菲涅尔区板实现了4.0dB的焦点增益

纳米光子学的一篇文章最近报道了使用全息飞秒激光器在金属薄膜上制造超薄菲涅尔区板。飞秒脉冲被用来将菲涅尔区板分割成一系列的元素图案。准备好的菲涅尔区板使用印刷元素结构进行拼接,没有任何尺寸限制。

同样,发表在《光电子工程》上的一项研究讨论了利用飞秒激光划线技术制造二维(2D)半导体材料,基于硫化钼(MoS2)的原子薄菲涅尔区板装置。除了MoS2的带隙特性外,作者预计这种制造方法可能对集成光学系统有用。

结论
总的来说,菲涅尔区板是一种有趣的光学装置,它类似于透镜,但使用衍射而不是折射来产生所需的结果。菲涅尔区板的独特模式有助于将传入的能量集中到一个点上,从而形成高分辨率的放大图像,在广泛的应用中是很有用的。

扩展:

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作者:Bhavna Kaveti

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