衍射光學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用

衍射光學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用譚峭峰清華大學(xué)精儀系光電工程研究所內(nèi)容：什么是衍射光學(xué)，優(yōu)勢何在？如何設(shè)計衍射光學(xué)器件？如何加工衍射光學(xué)器件？衍射光學(xué)器件的應(yīng)用光線：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(shí)驗(yàn)單縫衍射實(shí)驗(yàn)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)儀器儀表激光1960年1、什么是衍射光學(xué)？光學(xué)技術(shù)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(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)兩個主要分支: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(二元)光學(xué)

1987年，美國MIT林肯實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)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(jī)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

掩模曝光顯影刻蝕二元！衍射理論：標(biāo)量衍射理論和矢量衍射理論。特征尺寸>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(fèi)衍射：高衍射效率?獨(dú)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(diǎn)：高衍射效率L：位相臺階數(shù)

3>

1>

2

折衍混合物鏡傳統(tǒng)物鏡獨(dú)特的色散性能寬廣的材料可選性只要能刻蝕的，都能作為基底進(jìn)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

熔融石英、硅、SiO2,SiON,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germaniumarsenide

金gold

鎳nickel更多的設(shè)計自由度臺階位置、寬度、深度、形狀等。MicrolensmulticolordispersivebeamcollimatorasphericgenerationMultifocalchromaticcorrectionbeamdiverterasphericcorrectionbeamsteerer,scannerpolarizationrotatorbeammultiplexerwavefrontsampler特殊的光學(xué)功能2、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(fèi)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(shí)現(xiàn)所需功能。

衍射光學(xué)實(shí)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)化問題許多優(yōu)化算法被提出來進(jìn)行衍射光學(xué)器件的設(shè)計：a.遺傳算法(GA)b.模擬退火算法(SA)c.Gerchberg-Saxton算法(GS)d.楊-顧算法(YG)e.最速下降算法f.爬山法g.全局／局部聯(lián)合搜索算法(GLUSA)h.爬山—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(shí)用算法是GS算法，于1971年由Gerchberg和Saxton首先提出。

GS算法的不足與改進(jìn)：不足:

包含許多位相突變點(diǎn)

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

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(diǎn)、設(shè)計性能不好ST改進(jìn)算法設(shè)計結(jié)果YG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)G算法的不足與改進(jìn)：與GS算法類似ST改進(jìn)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(jī)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。SA算法：爬山—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(diǎn)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(jìn)行復(fù)雜的且費(fèi)時的計算機(jī)運(yùn)算，難以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，常用來分析器件性能。有待發(fā)展實(shí)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

連續(xù)位相器件的制作

復(fù)制工藝

刻蝕輪廓測量3、如何制造衍射光學(xué)器件？多臺階位相衍射光學(xué)器件減法工藝、加法工藝掩模曝光顯影刻蝕掩模的生成：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：~0.5m紅膜精縮：~1.0mGCAPG3600F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)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。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(jìn)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(dá)10nm。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(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：一次成形且無離散化近似。直寫法電子束：最小水平線寬<0.5m激光：最小水平線寬>0.5m輪廓深度難以控制和刻蝕圖形變形問題

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(qiáng)度成正比。若掩膜板的光強(qiáng)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?？涛g深度刻蝕時間曝光強(qiáng)度

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(Injectionmolding)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)量的PMMA微透鏡陣列．復(fù)制精度優(yōu)于0.5

m?？涛g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(fèi)以及其他特殊系統(tǒng)中。折衍混合物鏡光束勻滑光束準(zhǔn)直分束與合束光學(xué)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(jié)構(gòu)4、衍射光學(xué)器件的應(yīng)用1)照相機(jī)物鏡衍射光學(xué)色散、熱膨脹等特性與折射器件具有互補(bǔ)性，校正折射透鏡的色差與熱差光學(xué)系統(tǒng)的小型化與輕量化2)光束勻滑神光Ⅱ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(diǎn)b.焦前c.焦點(diǎn)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=10

~30

、

x=30

~60

，需預(yù)先校正為準(zhǔn)直性好的圓形光束才能實(shí)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瑥亩绊懝ぷ骶?，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(jī)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?；跓o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(dá)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(shí)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(fèi)衍射圖樣是一定點(diǎn)陣數(shù)目的等光強(qiáng)光斑，完全避免了一般振幅光柵因sinc函數(shù)強(qiáng)度包絡(luò)所引起的譜點(diǎn)光強(qiáng)的不均勻分布。設(shè)計思路：相位取二值，但周期內(nèi)空間坐標(biāo)(刻槽數(shù)目及