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二元相位和振幅菲涅尔波带片(FZP)是一种重要的平面型光学元件,它通过衍射和干涉而不是通过折射实现聚焦和成像功能。波带片可以应用在纳米光刻、光谱学、近场和远场的光学显微以及光学天线等许多方面。相位型波带片的衍射效率比振幅型波带片高,因而在可见光范围内的共聚焦显微、高分辨率光刻等大量应用中相位型波带片更具有优势。本文提出了一个相位型厚菲涅尔波带片矢量衍射解析模型。在所提出的模型中,考虑了菲涅尔波带片表面的散射以及波带片区域体内的反射和折射效应,推导出在FZP出射光瞳平面的电场分布,在衍射空间的衍射场用矢量瑞利-索莫菲衍射理论计算。利用时域有限差分(FDTD)法检验了解析模型的正确性。结果显示,在有效的刻蚀深度范围内,所提出的模型计算结果和时域有限差分模拟结果很好一致。两种方法所预测的最优刻蚀深度基本相等。因此,该解析模型对设计一个高数值孔径、短焦距和高分辨率的相位型FZP非常有用。此外,用时域有限差分方法模拟了具有衬底薄膜的二元相位亚波长菲涅尔波带片的衍射特性与照明光入射方向的相关性。模拟结果显示,在有效的刻蚀深度范围内,FZP的远场聚焦光斑的强度和大小对光束是从FZP的衬底一侧入射还是从FZP的结构一侧入射不太敏感。但是,光从FZP的结构一侧入射时的焦长大于光从衬底一侧入射时的焦长。对于两个不同的入射方向,焦长都随着刻蚀深度的增加而减小。对于一些特定的刻蚀深度,例如,在计算的FZP中刻蚀深度为700nm时,光从FZP结构一侧入射可以获得大的焦深,同时,聚焦光斑的强度和光斑的分辨率的减小在可以接受的范围内。本文的模拟结果对于FZP在显微成像和光刻等一些应用中是有用的。