衍射光学技术及其应用

衍射光学技术及其应用谭峭峰清华大学精仪系光电工程研究所内容：1.什么是衍射光学，优势何在？2.如何设计衍射光学器件？3.如何加工衍射光学器件？4.衍射光学器件的应用光线：折射、反射传播方向由斯涅耳公式确定能量分配由菲涅耳公式确定薄透镜成像电磁波：衍射、干涉、偏振等杨氏双缝干涉实验单缝衍射实验信息信息的获取信息的传输信息的存储信息的处理信息的显示······仪器仪表光学仪器仪表激光1960年1、什么是衍射光学？光学技术与仪器的发展趋势：小(微)型化、阵列化、集成化。传统的光学器件对此却“心有余而力不足”，供需矛盾就要求在技术上要有所创新与突破。微光学微光学两个主要分支:基于折射原理的梯度折射率光学基于光波衍射原理的衍射(二元)光学1987年，美国MIT林肯实验室Veldkamp领导的研究组在设计新型传感系统中，率先提出了“二元光学”的概念。二元光学元件因其在实现光波变换上所具有的许多卓越的、传统光学难以具备的功能，而有利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化，开辟了光学领域的新视野。衍射光学定义：基于光的衍射理论，利用计算机辅助设计、并用大规模集成电路制作工艺，在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，它是一种纯位相衍射光学元件。折射透镜到衍射光学器件浮雕结构的演变掩模曝光显影刻蚀二元！衍射理论：标量衍射理论和矢量衍射理论。特征尺寸波长，标量衍射理论；特征尺寸~波长，矢量衍射理论。菲涅耳衍射：夫琅和费衍射：•高衍射效率•独特的色散性能•更多的设计自由度•宽广的材料选择性•特殊的光学功能衍射光学的优点：高衍射效率L：位相台阶数312折衍混合物镜传统物镜独特的色散性能宽广的材料可选性只要能刻蚀的，都能作为基底进行衍射光学器件的刻蚀。光学材料、光子学材料、光电材料、电子学材料•熔融石英、硅、SiO2,SiON,Si3N4•玻璃glass•塑料plastic•丙烯酸acrylic•环氧epoxy•聚酰胺polyamide•聚碳酸酯polycarbonate•树脂resin•ZnS•铝aluminum•铬chromium•铜copper•锗germanium•砷化锗germaniumarsenide•金gold•镍nickel更多的设计自由度台阶位置、宽度、深度、形状等。MicrolensmulticolordispersivebeamcollimatorasphericgenerationMultifocalchromaticcorrectionbeamdiverterasphericcorrectionbeamsteerer,scannerpolarizationrotatorbeammultiplexerwavefrontsampler特殊的光学功能2、如何设计衍射光学器件？标量衍射理论：菲涅耳衍射与夫琅和费衍射空间线性变换系统中的输入输出变换问题解的存在性和唯一性？？位相恢复问题：已知光学系统输入面光场振幅与位相分布，如何计算衍射光学器件的位相分布以正确调制入射光场，高精度地给出预期输出振幅分布，实现所需功能。衍射光学实现光束匀滑DOE透过率函数不能解析求解转化成优化问题许多优化算法被提出来进行衍射光学器件的设计：a.遗传算法(GA)b.模拟退火算法(SA)c.Gerchberg-Saxton算法(GS)d.杨-顾算法(YG)e.最速下降算法f.爬山法g.全局／局部联合搜索算法(GLUSA)h.爬山—模拟退火混合算法……全局搜索算法局部搜索算法混合算法全局优化潜力优化效率不高优化效率高最早的实用算法是GS算法，于1971年由Gerchberg和Saxton首先提出。GS算法的不足与改进：不足:•包含许多位相突变点PMA、缓变的理想输出函数等引入局部替代函数获得连续位相分布不足:•局部搜索算法输入输出、ST等对初始值敏感、易陷入局部极值点、设计性能不好ST改进算法设计结果YG算法：更普适的算法20世纪80年代初中科院物理所杨国桢、顾本源矩阵迭代求解公式YG算法的不足与改进：与GS算法类似ST改进难以兼顾位相的缓变与光束匀滑性能的优良SA算法借鉴不可逆动力学的思想，是一种基于蒙特卡洛迭代求解法的启发式随机优化方法。它不同于局部搜索之处在于以一定的概率选择邻域中评价函数值大的状态，从理论上讲，是一种全局优化算法。SA算法：爬山—模拟退火混合算法：位相连续性得到保证局部搜索方向(爬山法):+全局优化(SA)：以一定概率跳出局部极值点优化的位相分布：特征尺寸~波长量级或亚波长量级矢量衍射理论基于电磁场理论，在适当的边界条件上严格地求解麦克斯韦方程组。已经发展了几种理论，如耦合波、时域有限差分法、边界元法、模态法等。但总的来说，这些理论方法设计衍射光学器件都要进行复杂的且费时的计算机运算，难以进行优化设计，常用来分析器件性能。有待发展实用而有效的设计理论。矢量衍射理论•多台阶位相器件的制作•连续位相器件的制作•复制工艺•刻蚀轮廓测量3、如何制造衍射光学器件？多台阶位相衍射光学器件减法工艺、加法工艺掩模曝光显影刻蚀掩模的生成：图形发生器、红膜图精缩等电子束图形发生器~0.1m光学图形发生器：~0.5m红膜精缩：~1.0mGCAPG3600F光学图形发生器光刻胶的涂布：甩胶、拉胶等关键：涂布既要均匀，又要可控制厚度张力提拉离心力图形转印：接触式、投影式、分布投影式。接触式光刻是将掩模板和涂有光刻胶的基片接触曝光。投影式光刻是将掩模图形1:1成象于基片表面曝光。分步投影光刻：用紫外光将掩模图形在基片上进行分步投影精缩。刻蚀：湿法刻蚀、干法刻蚀。湿法刻蚀即化学腐蚀属各向同性刻蚀，刻蚀边缘多是园弧形，精度低，不宜刻蚀小于3m的图形。干法刻蚀是在气相中将要刻蚀部分变成挥发物质而被清除，它包括离子刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)等工艺方法，均属各相异性刻蚀。其刻蚀速率高，具有良好的方向性和选择比，分辨率可高达10nm。连续位相BOE•无掩膜方法激光直写、电子束直写•有掩膜方法灰阶掩膜移动掩膜或旋转掩膜等台阶位相衍射光学元件的制作需要多次重复掩模图形转印和刻蚀(或薄膜淀积)过程，加工环节多、周期长、且对准精度难以控制。连续位相衍射光学器件：一次成形且无离散化近似。直写法电子束：最小水平线宽0.5m激光：最小水平线宽0.5m轮廓深度难以控制和刻蚀图形变形问题灰阶掩膜法衍射光学器件的刻蚀深度与刻蚀时间、曝光强度成正比。若掩膜板的光强透过率是连续分布，转换并刻蚀在基片上的位相深度就是连续分布的。刻蚀深度刻蚀时间曝光强度移动掩膜与旋转掩膜刻蚀深度圆心角h刻蚀深度h复制工艺衍射光学器件母板制作成本较高。发展复制技术是成本、推广应用的关键。铸造法(Casting)模压法(Embossing)注入模压法(Injectionmolding)在光刻热熔成型以及电铸复制得到的微透镜阵列镍板基础上，采用静态铸塑技术，得到了高质量的PMMA微透镜阵列．复制精度优于0.5m。刻蚀轮廓测量微观形貌台阶仪扫描电镜SEM扫描探针显微镜SPM原子力显微镜AFM衍射光学器件已广泛用于光学传感、光通信、光计算、数据存储、激光医学、娱乐消费以及其他特殊系统中。•折衍混合物镜•光束匀滑•光束准直•分束与合束•光学图象处理•微光谱仪•光束扫描•光盘读数头•激光热处理•亚波长结构4、衍射光学器件的应用1)照相机物镜衍射光学色散、热膨胀等特性与折射器件具有互补性，校正折射透镜的色差与热差光学系统的小型化与轻量化2)光束匀滑神光Ⅱ装置的惯性约束聚变(ICF)靶场系统定性描述衍射光学器件的束匀滑功能a.无器件焦点b.焦前c.焦点d.焦后100mm1.064mLD3)消象散半导体激光器(LD)存在非对称激活通道，发出的光具有较大的发散角且有像散，一般平行及垂直方向的发散角分别在y=10~30、x=30~60，需预先校正为准直性好的圆形光束才能实际应用。4)长焦深由于系统的加工制造误差或装配误差，或被检测物的表面不平度等原因导致聚焦光斑的变化，从而影响工作精度，因此要求扫描光束沿光轴具有一定的焦深。5)光束准直许多大型乃至巨型的机电设备的安装及测量需要一条准确的长距离光学基准线。基于无衍射光束原理设计的衍射光学器件可以提供此基准线，它可将激光器发出的光改造为准直性非常好的光束，准直范围达几十米。6)分束在光纤通信、光计算、光盘存储、光电技术、图象处理及精密测试等现代科技的许多领域中，越来越多地要求能将一信息(图象或数据)的输入变换成多个信息的输出，因此需要光学分束器件。Dammann光栅、Talbot光栅、微透镜阵列等均能实现上述功能。Dammann光栅:具有特殊孔径函数的二值相位光栅,其对入射光波产生的夫琅和费衍射图样是一定点阵数目的等光强光斑，完全避免了一般振幅光栅因sinc函数强度包络所引起的谱点光强的不均匀分布。设计思路：相位取二值，但周期内空间坐标(刻槽数目及槽宽)被任意调制或仅相位调制，或空间坐标与相位同时被调制。LaserSpacialFilterSampleDammannGratingLensLensFilterCCDParalellConfocalDetectionSystemBasedonDammannGratingsConfocalPinholeArrayObjectiveDichroicDammann光栅的应用：并行共焦显微镜Dammann光栅的应用：激光加工、激光热处理划片切割激光热处理Dammann光栅的应用：多通道并行处理利用多个特征信息判识物体，提高系统的识别率Talbot光栅:基于Talbot自成像原理，设计一个有特定相位分布的相位光栅，在单色平面波的照明下，使某些特定位置上的菲涅耳象变成一个振幅光栅，即光斑阵列。Talbot距：多台阶Talbot光栅:微透镜阵列:连续位相或多阶位相菲涅耳波带透镜阵列。微透镜阵列的应用：多重成像、波前检测微透镜阵列的应用：与红外焦平面探测器耦合7)光束迭加8)二元光学视网膜(BOR:Binaryopticalretina)纹理是图象视觉表面的基本特征之一，包含了与物体形状、方位和深度等密切相关的亮度统计信息和空间分布信息。对输入图象提取不同频带和取向的纹理特征信息，需要的光学器件包括Dammann光栅、滤波器阵列、棱镜阵列等，实现光学并行带通滤波，与视觉系统初级阶段的多通道滤波理论相似。二元光学器件，使其同时集成棱镜、滤波器、达曼光栅等功能，即做成了一个“二元光学视网膜”。9)衍射超分辨器件CDDVDDVRWavelength：780nm－650nm－400nmNA：0.45－0.60－0.85Capacity：650MB－4.7GB－22GB光盘的变迁：爱里(Airy)斑逐渐变小。d比爱里斑还要小？衍射超分辨器件！在一定超分辨能力下，保证主瓣光强最大！()lp()lp()lp()lp()p120()cos(2)jAd120()sin(2)jAd10()jAdSIAISrArLr----Airydiskpattern____SuperresolvedpatternMIKIRadialcoordinaterIntensityI最优解将二次约束线性化线性规划理论泛函分析10)亚波长器件有限时域差分方法：FDTD(Finite-DifferenceTime-DomainMethod)sHJJtBEJJtDHmmee,E,zyxyxzzzyzxyyzxxyzHtSxEyEHtSzExEHtSyEzEEtzHxHEtxHzHEtzHyHxzy3-D分析微透镜的聚焦行为针对需求，如何设计？基于FDTD的迭代算法一分二分束器件一分三分