衍射光學技術及其應用PPT課件

1、內容：1. 什么是衍射光學，優(yōu)勢何在？2. 如何設計衍射光學器件？3. 如何加工衍射光學器件？4. 衍射光學器件的應用第1頁/共70頁光線：折射、反射傳播方向由斯涅耳公式確定能量分配由菲涅耳公式確定薄透鏡成像第2頁/共70頁電磁波：衍射、干涉、偏振等楊氏雙縫干涉實驗單縫衍射實驗第3頁/共70頁信息信息的獲取信息的傳輸信息的存儲信息的處理信息的顯示 儀器儀表光學儀器儀表激光 1960年1、什么是衍射光學？第4頁/共70頁光學技術與儀器的發(fā)展趨勢： 小(微)型化、陣列化、集成化。傳統(tǒng)的光學器件對此卻“心有余而力不足”，供需矛盾就要求在技術上要有所創(chuàng)新與突破。微光學微光學第5頁/共70頁微光學兩個主

2、要分支微光學兩個主要分支: 基于折射原理的梯度折射率光學基于折射原理的梯度折射率光學 基于光波衍射原理的衍射基于光波衍射原理的衍射(二元二元)光學光學 1987年，美國MIT林肯實驗室Veldkamp領導的研究組在設計新型傳感系統(tǒng)中，率先提出了“二元光學”的概念。二元光學元件因其在實現(xiàn)光波變換上所具有的許多卓越的、傳統(tǒng)光學難以具備的功能，而有利于促進光學系統(tǒng)實現(xiàn)微型化、陣列化和集成化，開辟了光學領域的新視野。第6頁/共70頁衍射光學定義：基于光的衍射理論，利用計算機輔助設計、并用大規(guī)模集成電路制作工藝，在基片上(或傳統(tǒng)光學器件表面)刻蝕產生兩個或多個臺階深度的浮雕結構，它是一種純位相衍射光學元

3、件。 折射透鏡到衍射光學器件浮雕結構的演變 第7頁/共70頁掩模曝光顯影刻蝕二元！第8頁/共70頁衍射理論：標量衍射理論和矢量衍射理論。特征尺寸波長，標量衍射理論；特征尺寸波長，矢量衍射理論。 第9頁/共70頁 菲涅耳衍射： 夫瑯和費衍射：第10頁/共70頁 高衍射效率 獨特的色散性能 更多的設計自由度 寬廣的材料選擇性 特殊的光學功能衍射光學的優(yōu)點：高衍射效率L：位相臺階數(shù)第11頁/共70頁312 折衍混合物鏡傳統(tǒng)物鏡獨特的色散性能第12頁/共70頁寬廣的材料可選性只要能刻蝕的，都能作為基底進行衍射光學器件的刻蝕。光學材料、光子學材料、光電材料、電子學材料 熔融石英、硅、SiO2, SiON

4、, Si3N4 玻璃 glass 塑料 plastic 丙烯酸 acrylic 環(huán)氧 epoxy 聚酰胺 polyamide 聚碳酸酯 polycarbonate 樹脂resin ZnS 鋁 aluminum 鉻 chromium 銅 copper 鍺 germanium 砷化鍺 germanium arsenide 金 gold 鎳 nickel 更多的設計自由度臺階位置、寬度、深度、形狀等。第13頁/共70頁Micro lens multicolor dispersive beam collimator aspheric generationMulti focal chromatic co

5、rrection beam diverter aspheric correctionbeam steerer,scanner polarization rotator beam multiplexer wavefront sampler特殊的光學功能第14頁/共70頁2、如何設計衍射光學器件？標量衍射理論： 菲涅耳衍射與夫瑯和費衍射空間線性變換系統(tǒng)中的輸入輸出變換問題解的存在性和唯一性？位相恢復問題：已知光學系統(tǒng)輸入面光場振幅與位相分布，如何計算衍射光學器件的位相分布以正確調制入射光場，高精度地給出預期輸出振幅分布，實現(xiàn)所需功能。 第15頁/共70頁衍射光學實現(xiàn)光束勻滑 DOE透過率函數(shù) 不能

6、解析求解 轉化成優(yōu)化問題第16頁/共70頁許多優(yōu)化算法優(yōu)化算法被提出來進行衍射光學器件的設計： a. 遺傳算法遺傳算法(GA) b. 模擬退火算法模擬退火算法(SA) c. Gerchberg-Saxton算法算法(GS) d. 楊楊-顧算法顧算法(YG) e. 最速下降算法最速下降算法 f. 爬山法爬山法 g. 全局局部聯(lián)合搜索算法全局局部聯(lián)合搜索算法(GLUSA) h. 爬山爬山模擬退火混合算法模擬退火混合算法 全局搜索算法局部搜索算法混合算法全局優(yōu)化潛力優(yōu)化效率不高優(yōu)化效率高第17頁/共70頁 最早的實用算法是GS算法，于1971年由Gerchberg和Saxton首先提出。 第18頁/

7、共70頁GSGS算法的不足與改進：算法的不足與改進：不足: 包含許多位相突變點 PMA、緩變的理想輸出函數(shù)等引入局部替代函數(shù)獲得連續(xù)位相分布 第19頁/共70頁不足: 局部搜索算法輸入輸出、ST等 對初始值敏感、易陷入局部極值點、設計性能不好ST改進算法設計結果第20頁/共70頁YGYG算法：算法：更普適的算法 20世紀80年代初中科院物理所 楊國楨、顧本源矩陣迭代求解公式第21頁/共70頁YGYG算法的不足與改進：算法的不足與改進： 與GS算法類似ST改進難以兼顧位相的緩變與光束勻滑性能的優(yōu)良第22頁/共70頁 SA算法借鑒不可逆動力學的思想，是一種基于蒙特卡洛迭代求解法的啟發(fā)式隨機優(yōu)化方法

8、。它不同于局部搜索之處在于以一定的概率選擇鄰域中評價函數(shù)值大的狀態(tài)，從理論上講，是一種全局優(yōu)化算法。 SASA算法：算法：第23頁/共70頁爬山爬山模擬退火混合算法：模擬退火混合算法：位相連續(xù)性得到保證局部搜索方向 (爬山法): + 全局優(yōu)化 (SA)：以一定概率跳出局部極值點優(yōu)化的位相分布：第24頁/共70頁 特征尺寸波長量級或亞波長量級 矢量衍射理論基于電磁場理論，在適當?shù)倪吔鐥l件上嚴格地求解麥克斯韋方程組。已經發(fā)展了幾種理論，如耦合波、時域有限差分法、邊界元法、模態(tài)法等。但總的來說，這些理論方法設計衍射光學器件都要進行復雜的且費時的計算機運算，難以進行優(yōu)化設計，常用來分析器件性能。 有待

9、發(fā)展實用而有效的設計理論。 矢量衍射理論第25頁/共70頁 多臺階位相器件的制作 連續(xù)位相器件的制作 復制工藝 刻蝕輪廓測量3、如何制造衍射光學器件？第26頁/共70頁多臺階位相衍射光學器件 減法工藝、加法工藝掩模曝光顯影刻蝕第27頁/共70頁掩模的生成：圖形發(fā)生器、紅膜圖精縮等電子束圖形發(fā)生器 0.1m光學圖形發(fā)生器： 0.5 m紅膜精縮： 1.0 mGCA PG3600F 光學圖形發(fā)生器第28頁/共70頁光刻膠的涂布：甩膠、拉膠等 關鍵：涂布既要均勻，又要可控制厚度 張力提拉 離心力 第29頁/共70頁圖形轉印：接觸式、投影式、分布投影式。 接觸式光刻是將掩模板和涂有光刻膠的基片接觸曝光。

10、投影式光刻是將掩模圖形1:1成象于基片表面曝光。 分步投影光刻：用紫外光將掩模圖形在基片上進行分步投影精縮。第30頁/共70頁刻蝕：濕法刻蝕、干法刻蝕。 濕法刻蝕即化學腐蝕屬各向同性刻蝕，刻蝕邊緣多是園弧形，精度低，不宜刻蝕小于3m的圖形。干法刻蝕是在氣相中將要刻蝕部分變成揮發(fā)物質而被清除，它包括離子刻蝕(IBE)、反應離子刻蝕(RIE)和反應離子束刻蝕(RIBE)等工藝方法，均屬各相異性刻蝕。其刻蝕速率高，具有良好的方向性和選擇比，分辨率可高達10nm。第31頁/共70頁連續(xù)位相BOE 無掩膜方法 激光直寫、電子束直寫 有掩膜方法 灰階掩膜 移動掩膜或旋轉掩膜等臺階位相衍射光學元件的制作需要

11、多次重復掩模圖形轉印和刻蝕(或薄膜淀積)過程，加工環(huán)節(jié)多、周期長、且對準精度難以控制。連續(xù)位相衍射光學器件：一次成形且無離散化近似。 第32頁/共70頁直寫法電子束：最小水平線寬0.5 m輪廓深度難以控制和刻蝕圖形變形問題 第33頁/共70頁灰階掩膜法衍射光學器件的刻蝕深度與刻蝕時間、曝光強度成正比。若掩膜板的光強透過率是連續(xù)分布，轉換并刻蝕在基片上的位相深度就是連續(xù)分布的。第34頁/共70頁 刻蝕深度刻蝕時間 曝光強度移動掩膜與旋轉掩膜刻蝕深度 圓心角h刻蝕深度 h第35頁/共70頁復制工藝衍射光學器件母板制作成本較高。發(fā)展復制技術是成本、推廣應用的關鍵。 鑄造法(Casting)模壓法(E

12、mbossing)注入模壓法(Injection molding) 第36頁/共70頁在光刻熱熔成型以及電鑄復制得到的微透鏡陣列鎳板基礎上，采用靜態(tài)鑄塑技術，得到了高質量的PMMA微透鏡陣列復制精度優(yōu)于0.5m。 第37頁/共70頁刻蝕輪廓測量 微觀形貌臺階儀掃描電鏡 SEM掃描探針顯微鏡 SPM原子力顯微鏡 AFM第38頁/共70頁衍射光學器件已廣泛用于光學傳感、光通信、光計算、數(shù)據存儲、激光醫(yī)學、娛樂消費以及其他特殊系統(tǒng)中。 折衍混合物鏡 光束勻滑 光束準直 分束與合束 光學圖象處理 微光譜儀 光束掃描 光盤讀數(shù)頭 激光熱處理 亞波長結構4、衍射光學器件的應用第39頁/共70頁1) 照相機

13、物鏡衍射光學色散、熱膨脹等特性與折射器件具有互補性，校正折射透鏡的色差與熱差光學系統(tǒng)的小型化與輕量化第40頁/共70頁2) 光束勻滑神光裝置的慣性約束聚變(ICF)靶場系統(tǒng)第41頁/共70頁定性描述衍射光學器件的束勻滑功能 a.無器件 焦點 b.焦前 c.焦點 d.焦后100mm1.064mLD第42頁/共70頁3) 消象散半導體激光器(LD)存在非對稱激活通道，發(fā)出的光具有較大的發(fā)散角且有像散，一般平行及垂直方向的發(fā)散角分別在y=1030、x =3060，需預先校正為準直性好的圓形光束才能實際應用。 第43頁/共70頁4) 長焦深由于系統(tǒng)的加工制造誤差或裝配誤差，或被檢測物的表面不平度等原因

14、導致聚焦光斑的變化，從而影響工作精度，因此要求掃描光束沿光軸具有一定的焦深。第44頁/共70頁5) 光束準直許多大型乃至巨型的機電設備的安裝及測量需要一條準確的長距離光學基準線?；跓o衍射光束原理設計的衍射光學器件可以提供此基準線，它可將激光器發(fā)出的光改造為準直性非常好的光束，準直范圍達幾十米。 第45頁/共70頁6) 分束 在光纖通信、光計算、光盤存儲、光電技術、圖象處理及精密測試等現(xiàn)代科技的許多領域中，越來越多地要求能將一信息(圖象或數(shù)據)的輸入變換成多個信息的輸出，因此需要光學分束器件。Dammann光柵、Talbot光柵、微透鏡陣列等均能實現(xiàn)上述功能。 第46頁/共70頁Dammann

15、光柵: 具有特殊孔徑函數(shù)的二值相位光柵, 其對入射光波產生的夫瑯和費衍射圖樣是一定點陣數(shù)目的等光強光斑，完全避免了一般振幅光柵因sinc函數(shù)強度包絡所引起的譜點光強的不均勻分布。設計思路：相位取二值， 但周期內空間坐標(刻槽數(shù)目及槽寬)被任意調制或僅相位調制，或空間坐標與相位同時被調制。第47頁/共70頁LaserSpacialFilterSampleDammannGratingLensLensFilterCCDParalell Confocal Detection System Based on Dammann GratingsConfocalPinhole ArrayObjectiveDi

16、chroicDammann光柵的應用：并行共焦顯微鏡第48頁/共70頁Dammann光柵的應用：激光加工、激光熱處理劃片切割激光熱處理第49頁/共70頁Dammann光柵的應用：多通道并行處理利用多個特征信息判識物體，提高系統(tǒng)的識別率第50頁/共70頁Talbot光柵: 基于Talbot自成像原理，設計一個有特定相位分布的相位光柵，在單色平面波的照明下，使某些特定位置上的菲涅耳象變成一個振幅光柵，即光斑陣列。 Talbot距：第51頁/共70頁多臺階Talbot光柵:第52頁/共70頁微透鏡陣列: 連續(xù)位相或多階位相菲涅耳波帶透鏡陣列。第53頁/共70頁微透鏡陣列的應用：多重成像、波前檢測第5

17、4頁/共70頁微透鏡陣列的應用：與紅外焦平面探測器耦合 第55頁/共70頁7) 光束迭加第56頁/共70頁8)二元光學視網膜(BOR: Binary optical retina) 紋理是圖象視覺表面的基本特征之一，包含了與物體形狀、方位和深度等密切相關的亮度統(tǒng)計信息和空間分布信息。 對輸入圖象提取不同頻帶和取向的紋理特征信息，需要的光學器件包括Dammann光柵、濾波器陣列、棱鏡陣列等，實現(xiàn)光學并行帶通濾波，與視覺系統(tǒng)初級階段的多通道濾波理論相似。 第57頁/共70頁二元光學器件，使其同時集成棱鏡、濾波器、達曼光柵等功能，即做成了一個“二元光學視網膜”。 第58頁/共70頁第59頁/共70頁

18、9)衍射超分辨器件 CD DVD DVRWavelength： 780nm 650nm 400nm NANA： 0.45 0.60 0.85Capacity： 650MB 4.7GB 22GB光盤的變遷：第60頁/共70頁愛里(Airy)斑逐漸變小。d比愛里斑還要??？衍射超分辨器件！在一定超分辨能力下，保證主瓣光強最大！第61頁/共70頁( )lp( )lp( )lp( )lp( )p120( )cos(2)jAd 120( )sin(2)jAd 10( )jAd SIAISrArLr- - - - Airy disk pattern_ Superresolved patternMIKIRadial coordinate rIntensity I最優(yōu)解將二次約束線性化線性規(guī)劃理論泛函分析第62頁/共70頁10)亞波長器件有限時域差分方法：FDTD(Finite-Difference Time-Domain Method)sHJJtBEJJtDHmmee,E,zyxyxzzzyzxyyzxxyzHtSxEyEHtSzExEHtSyEzEEtzHxHEtxHzHEtzHyHxzy3-D第63頁/共70頁分析微透鏡的聚焦行為針對需求，如何設計