衍射光學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用-文檔資料教學(xué)內(nèi)容

1、衍射光學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用-文檔資料光線：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電磁波：衍射、干涉、偏振等楊氏雙縫干涉實驗單縫衍射實驗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(xué)儀器儀表光學(xué)儀器儀表激光 1960年1、什么是衍射光學(xué)？、什么是衍射光學(xué)？光學(xué)技術(shù)與儀器的發(fā)展趨勢： 小小(微微)型化、陣列化、集成化。型化、陣列化、集成化。傳統(tǒng)的光學(xué)器件對此卻“心有余而力不足”，供需矛盾就要求在技術(shù)上要有所創(chuàng)新與突破。微光學(xué)微光學(xué)微光學(xué)兩個主要分支微光學(xué)兩個主要分支: 基于折射原理的梯度折射率光學(xué)基于折射原理的梯度折射率光學(xué) 基于光波衍射原理的衍射基于

2、光波衍射原理的衍射(二元二元)光學(xué)光學(xué) 1987年，美國MIT林肯實驗室Veldkamp領(lǐng)導(dǎo)的研究組在設(shè)計新型傳感系統(tǒng)中，率先提出了“二元光學(xué)”的概念。二元光學(xué)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(xué)難以具備的功能，而有利于促進光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)微型化、陣列化和集成化，開辟了光學(xué)領(lǐng)域的新視野。衍射光學(xué)定義：基于光的衍射理論，利用計算機輔助設(shè)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(xué)器件表面)刻蝕產(chǎn)生兩個或多個臺階深度的浮雕結(jié)構(gòu)，它是一種純位相衍射光學(xué)元件。 折射透鏡到衍射光學(xué)器件浮雕結(jié)構(gòu)的演變 掩模掩模曝光曝光顯影顯影刻蝕刻蝕二元！衍射理論：標(biāo)量衍射理論和矢量衍射理論。特征尺寸

3、波長，標(biāo)量衍射理論；特征尺寸波長，矢量衍射理論。 菲涅耳衍射： 夫瑯和費衍射： 高衍射效率 獨特的色散性能 更多的設(shè)計自由度 寬廣的材料選擇性 特殊的光學(xué)功能衍射光學(xué)的優(yōu)點：高衍射效率高衍射效率L：位相臺階數(shù)312 折衍混合物鏡傳統(tǒng)物鏡獨特的色散性能獨特的色散性能寬廣的材料可選性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(xué)器件的刻蝕。只要能刻蝕的，都能作為基底進行衍射光學(xué)器件的刻蝕。光學(xué)材料、光子學(xué)材料、光電材料、電子學(xué)材料光學(xué)材料、光子學(xué)材料、光電材料、電子學(xué)材料 熔融石英、硅、SiO2, SiON, Si3N4 玻璃 glass 塑料 plastic 丙烯酸 acrylic 環(huán)氧

4、 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(shè)計自由度更多的設(shè)計自由度臺階位置、寬度、深度、形狀等。Micro lens multicolor dispersive beam collimator aspheric generationMulti focal chromatic correction beam diverter aspheric correctionb

5、eam steerer,scanner polarization rotator beam multiplexer wavefront sampler特殊的光學(xué)功能特殊的光學(xué)功能2、如何設(shè)計衍射光學(xué)器件？、如何設(shè)計衍射光學(xué)器件？標(biāo)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(fù)問題：已知光學(xué)系統(tǒng)輸入面光場振幅與位相分布，如何計算衍射光學(xué)器件的位相分布以正確調(diào)制入射光場，高精度地給出預(yù)期輸出振幅分布，實現(xiàn)所需功能。 衍射光學(xué)實現(xiàn)光束勻滑 DOE透過率函數(shù) 不能解析求解 轉(zhuǎn)化成優(yōu)化問題許多許多優(yōu)化算法優(yōu)化算法被提出來進行衍射光學(xué)器件的設(shè)計：被提

6、出來進行衍射光學(xué)器件的設(shè)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 最早的實用算法是GS算法，于1971年由Gerchberg和Saxton首先提出。 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

7、函數(shù)等引入局部替代函數(shù)獲得連續(xù)位相分布 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(shè)計性能不好ST改進算法設(shè)計結(jié)果YGYG算法：算法：更普適的算法 20世紀(jì)80年代初中科院物理所 楊國楨、顧本源矩陣迭代求解公式Y(jié)GYG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 SA算法借鑒不可逆動力學(xué)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。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：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)

8、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： 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(dāng)?shù)倪吔鐥l件上嚴(yán)格地求解麥克斯韋方程組。已經(jīng)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(shè)計衍射光學(xué)器件都要進行復(fù)雜的且費時的計算機運算，難以進行優(yōu)化設(shè)計，常用來分析器件性能。 有待發(fā)展實用而有效的設(shè)計理論。 矢量衍射理論 多臺階位相器件的制作多臺階位相器件的制作 連續(xù)位相器件的制作連續(xù)位相器件的制作 復(fù)制工藝復(fù)制工藝 刻蝕輪廓測量刻蝕輪廓測量3、如何制造衍射光學(xué)器件？、如何制造衍射光學(xué)器

9、件？多臺階位相衍射光學(xué)器件多臺階位相衍射光學(xué)器件 減法工藝、加法工藝減法工藝、加法工藝掩模掩模曝光曝光顯影顯影刻蝕刻蝕掩模的生成：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(xué)圖形發(fā)生器： 0.5 m紅膜精縮： 1.0 mGCA PG3600F 光學(xué)圖形發(fā)生器光刻膠的涂布：甩膠、拉膠等 關(guān)鍵：涂布既要均勻，又要可控制厚度 張力提拉 離心力 圖形轉(zhuǎn)?。航佑|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。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?？涛g：濕法刻蝕、干法刻蝕。 濕法刻蝕即化學(xué)腐蝕屬各向同

10、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(zhì)而被清除，它包括離子刻蝕(IBE)、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和反應(yīng)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。連續(xù)位相連續(xù)位相BOE 無掩膜方法無掩膜方法 激光直寫、電子束直寫激光直寫、電子束直寫 有掩膜方法有掩膜方法 灰階掩膜灰階掩膜 移動掩膜或旋轉(zhuǎn)掩膜等移動掩膜或旋轉(zhuǎn)掩膜等臺階位相衍射光學(xué)元件的制作需要多次重復(fù)掩模圖形轉(zhuǎn)印和刻蝕(或薄膜淀積)過程，加工環(huán)節(jié)多、周期長、且對準(zhǔn)精度難以控制。連續(xù)位相衍射光學(xué)器件：一次成形且無離

11、散化近似。 直寫法直寫法電子束：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 灰階掩膜法灰階掩膜法衍射光學(xué)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(zhuǎn)換并刻蝕在基片上的位相深度就是連續(xù)分布的。 刻蝕深度刻蝕時間 曝光強度移動掩膜與旋轉(zhuǎn)掩膜移動掩膜與旋轉(zhuǎn)掩膜刻蝕深度 圓心角h刻蝕深度 h復(fù)制工藝復(fù)制工藝衍射光學(xué)器件母板制作成本較高。發(fā)展復(fù)制技術(shù)是成本、推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。 鑄造法(Casting)模壓法(Embossing)注入模壓法(Injection molding) 在光刻熱熔成型以及電鑄復(fù)制得到的微透鏡陣列鎳板基礎(chǔ)上，采用靜態(tài)鑄塑技術(shù)，得到了高質(zhì)量

12、的PMMA微透鏡陣列復(fù)制精度優(yōu)于0.5m。 刻蝕輪廓測量刻蝕輪廓測量 微觀形貌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衍射光學(xué)器件已廣泛用于光學(xué)傳感、光通信、光計算、數(shù)據(jù)存儲、激光醫(yī)學(xué)、娛樂消費以及其他特殊系統(tǒng)中。 折衍混合物鏡折衍混合物鏡 光束勻滑光束勻滑 光束準(zhǔn)直光束準(zhǔn)直 分束與合束分束與合束 光學(xué)圖象處理光學(xué)圖象處理 微光譜儀微光譜儀 光束掃描光束掃描 光盤讀數(shù)頭光盤讀數(shù)頭 激光熱處理激光熱處理 亞波長結(jié)構(gòu)亞波長結(jié)構(gòu)4、衍射光學(xué)器件的應(yīng)用、衍射光學(xué)器件的應(yīng)用1) 照相機物鏡衍射光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的小

13、型化與輕量化2) 光束勻滑神光裝置的慣性約束聚變(ICF)靶場系統(tǒng)定性描述衍射光學(xué)器件的束勻滑功能 a.無器件 焦點 b.焦前 c.焦點 d.焦后100mm1.064mLD3) 消象散半導(dǎo)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(yù)先校正為準(zhǔn)直性好的圓形光束才能實際應(yīng)用。 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?qū)е戮劢构獍叩淖兓?，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。5) 光束準(zhǔn)直許多大型乃至巨型的機電設(shè)備的安裝及測量需要一條準(zhǔn)確的長距離光學(xué)基準(zhǔn)線。

14、基于無衍射光束原理設(shè)計的衍射光學(xué)器件可以提供此基準(zhǔn)線，它可將激光器發(fā)出的光改造為準(zhǔn)直性非常好的光束，準(zhǔn)直范圍達幾十米。 6) 分束 在光纖通信、光計算、光盤存儲、光電技術(shù)、圖象處理及精密測試等現(xiàn)代科技的許多領(lǐng)域中，越來越多地要求能將一信息(圖象或數(shù)據(jù))的輸入變換成多個信息的輸出，因此需要光學(xué)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。 Dammann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(chǎn)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(luò)所引起的譜點光強的不均勻分布。設(shè)計思路：相位取二值， 但周期內(nèi)空間

15、坐標(biāo)(刻槽數(shù)目及槽寬)被任意調(diào)制或僅相位調(diào)制，或空間坐標(biāo)與相位同時被調(diào)制。LaserSpacialFilterSampleDammannGratingLensLensFilterCCDParalell Confocal Detection System Based on Dammann GratingsConfocalPinhole ArrayObjectiveDichroicDammann光柵的應(yīng)用：并行共焦顯微鏡Dammann光柵的應(yīng)用：激光加工、激光熱處理劃片切割激光熱處理Dammann光柵的應(yīng)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)的識別率利用多個特征信息判識物體，提高系統(tǒng)

16、的識別率Talbot光柵: 基于Talbot自成像原理，設(shè)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：多臺階Talbot光柵:微透鏡陣列: 連續(xù)位相或多階位相菲涅耳波帶透鏡陣列。微透鏡陣列的應(yīng)用：多重成像、波前檢測微透鏡陣列的應(yīng)用：與紅外焦平面探測器耦合 7) 光束迭加8)二元光學(xué)視網(wǎng)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(guān)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(xué)器件包括Da

17、mmann光柵、濾波器陣列、棱鏡陣列等，實現(xiàn)光學(xué)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。 二元光學(xué)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(xué)視網(wǎng)膜”。 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：愛里(Airy)斑逐漸變小。d比愛里斑還要?。垦苌涑直嫫骷?！在一定超分辨能力下，保證主瓣光強最大！( )lp( )lp( )lp( )lp( )p120( )cos(2)jAd 120( )sin(2

18、)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10)亞波長器件有限時域差分方法：FDTD(Finite-Difference Time-Domain Method)sHJJtBEJJtDHmmee,E,zyxyxzzzyzxyyzxxyzHtSxEyEHtSzExEHtSyEzEEtzHxHEtxHzHEtzHyHxzy3-D分析微透鏡的聚焦行為針對需求，如何設(shè)計？基于FDTD的迭代算法一分二分束