（光学专业论文）用于icf的衍射光学与使用slm控制光场纵向相干度.pdf

嘲燃蚍做鳓群n 9 加， 本论文主要包含两个相对独立的部分：其一，是有关稀葛于冤学及在惯性约，1 c 近几年发展起来的一类重要光学元件。这种元件通常是在光学材料基片的表面上刻蚀出深 度为波长量级的浮雕结构，当光束投射到这类元件的表面时，波前的位相受到调制，从而 利用衍射和干涉效应同时实现几种综合光学功能。它可实现光学元件的微型化、集成化， 出于商业和军事目的，从八十年代开始，该课题一直是深受关注的研究领域之一。 在高功率激光驱动的惯性约束核聚变系统中，使用d o e 可以实现诸如光束平滑、波 面变换、谐波分离等多种光学功能。我们课题组，从1 9 9 3 年开始接触这类问题，直致力 于应用于1 c f 系统的d o e 研究。由于i c f 系统对d o e 的要求极为苛刻，因此这也是国际 上该领域面临的共同难点之一，各国科学家对此都很重视。本论文主要从d o e 元件的设 计及工艺等几方面进行以下工作： 1 、系统地研究、归纳了当前已有衍射光学元件的各种设计方法，井对它们的优缺点 进行了全面比较。在此基础上提出了计算效率更高，收敛更好的迭代优化杂化算 法用于位相恢复。针对神光和星光的实际体系，应用该方法设计d o e 来实现i c f ，的均匀照明。其设计指标如顶部畸变因子小于1 0 * ，衍射效率达9 8 5 ，均已超过 美国l i v e r m o r e 实验宣公布的同类结果。 2 、针对在理论设计与工艺制作相结合的过程中以及在i c f 实际系统的运用中所遇到 的各类问题- 也就是器件的宽容度问题，作了理论分析和数值模拟。通过对入射 波面畸变、非共轴、不同波长等因素所作的模拟，可以看出我们所设计的连续位 相分布d o e 具有较大的宽容度。此外，对光束通过d o e 的传输问题也作了深入 的研究，为d o e 在神光、星光实际系统中的运用，起到了一定的理论预言作用。 3 、在i c f 系统中，为了降低快电子的产生，增强激光和靶丸的耦合，需要将基频和 二倍频的光从三倍频光中加以分离，因此设计了闪耀光栅进行分频。并且研究了 其衍射行为以及加工误差对衍射效率的影响等问题。所设计的器件对i 。、2 。、3 u 的光束在0 级衍射效率分别为0 0 0 8 、0 0 0 9 、l ，成功地实现了谐波分离。同时， 采用耦合波模型对所设计的器件进行了矢量衍射分析，并与标量衍射的结果进行 了比较。 4 、通过与国家同步辐射实验室的通力合作，发展了离子束旋转刻蚀工艺。并应用到 大口径衍射光学元件的制作中。成功地研制出国内第一批连续浮雕结构的位相元 件。这种工艺大大提高了器件的衍射效率和制作精度，避免了套刻工艺所引进的 中国科学技术大学博士学位论文 各类误差。针对具有台阶结构的分频器件，采用套刻工艺进行加工，进一步的测 试仍在进行中同时对两种不同工艺方法中出现的各类误差进行了较全面分析 为今后进一步提高加工精度提供了理论指导 第二部分，即本文的最后一章，介绍了有关使用空间光调制器控制光场纵向相干度的工作。 近些年来，光学相干层析技术和低相干波面测量技术受到国际上广泛重视，这些技术都是 通过控制纵向相干性加以实现的。通常纵向相干性又和时间相干性联系在一起。即传播 轴上两点间的相干度是通过辐射光源的时间谱宽加以确定的。而我们通过改变光源的空间 特性而不是时间特性就实现了控制纵向相干度的目的我们首先从f o u r i e r 光学和几何光学 两种角度阐述了合成纵向空间相干性的机制，并基于这一解释在国际上首次于实验中证明 了仅仅通过改变光源强度的分布，就可以控制光场的纵向相干度同时分析了几种误差对 实验结果的影响。该方案允许在不改变两干涉臂光程差的基础上进行层析测量，并具有同 时测萤距离和倾角的功能。因此该技术无论在科研上还是在商业领域都具有潜在的应用价 值、 u 中国科学技术大学博士学位论文 t h i st h e s i sm a i n l yc o n s i s t so f t w o p a r t s ，e a c ho f w h i c h c o v e r sa r e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t t o p i c ：t h e f i r s ts i x e h a p t e r s a r ed e v o t e dt od i f f r a c t i v e o p t i c s a n di t s p o s s i b l e a p p l i c a t i o n si nt h ei n e n i a lc o n f i n e m e n tf u s i o no c f ) e x p e r i m e n t s w h i l et h eo t h e r s u c c e s s i v ec h a p t e rf o c u s e so ns y n t h e s i so fl o n g i t u d i n a lc o h e r e n c ef u n c t i o n sb ys p a t i a l m o d u l a t i o no fa l le x t e n d e dl i g h ts o u r c e w h i c hw a sd o n ei nj a p a nw h e n1w a sa e x c h a n g ep o s t g r a d u a t es t u d e n ti nu n i v e r s i t yo fe l e c t r o c o m m u n i c a t i o n s m ym a j o r w o r k si nt h e s et w oa s p e c t sw i l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w r e s p e c t i v e l y p a r tii sm a d eu do f c h a p t e r 1 6 d e t a i l e dd i s c u s s i o n sw e r ec o n t r i b u t e dt o d i f f r a c t i v e o p t i c s ，d e s i g n sa n df a b r i c a t i o no fd i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t s o e ) d i f f r a c t i v eo p t i c sm a k e sf u uu s eo fd i f f r a c t i o na n di n t e r f e r e n c et or e a l i z e m a n y n o v e lo re v e nu n i q u ep r o p e r t i e s i ti sar e s u l to fc o m b i n a t i o no fs e v e r a la d v a n c e d t e c h n o l o g i e ss u c ha sm i c r o - e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a m s ( c g h ) a n d k i n o f o r n l s u c hk i n do fe l e m e n ti su s u a l l yf a b r i c a t e db yd e v e l o p i n gr e l i e fs t r u c t u r e s o nt h es u r f a c eo ft h eo p t i c a lm a t e d a l sw i t ht h ef e a t u r es i z el e s st h a ns e v e r a l w a v e l e n g t h s w h e nl i g h tp r o j e c t so n t ot h es u r f a c eo f t h e s ee l e m e n t s t h e i rw a v ef r o n t s a r em o d u l a t e da n ds i m u l t a n e o u s l ys e v e r a lo p t i c a lo p e r a t i o n sa r ei m p l e m e n t e dw h i c h m a k e si tp o s s i b l ef o ra no p t i c a ls y s t e mt ob ev e r yc o m p a c ta n di n t e g r a t e d s i n c et h e b e g i n n i n go fl9 8 0 s i t h a sb e e no n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c hf i e l d sf o rb o t l l c o m m e r c i a la n d m i l i t a r yp u r p o s e s i nt h ei c fd r i v e r s ，d o ec a nb eu s e da ss a m p l i n g g r a t i n g s ，c o l o rs e p a r a t i o ng r a t i n g s a n dk i n o f o l n lp l a t e st oc o n t r o la n ds m o o t h p r o f i l e so f l a s e rb e a m s e v e rs i n c et h ef i r s t t o u c ho nt h i sp r o b l e mi n1 9 9 3 ，w eh a v eb e e n e n d e a v o r i n g t op r o m o t et h ep o s s i b l eu s e o fd o ei ni c f h o w e v e rt h i si so n eo ft h em o s td i m c u l tp o i n t sa n dh a sb e e n a t t r a c t i n gg r e a ta t t e n t i o nf r o ms c i e n t i s t sa n de x p e r t sa l lo v e rt h ew o r l d t h er e s e a r c h d e v o t e dt om yp h dt h e s i sm a d ec o n t r i b u t i o n so ns e v e r a l a s p e c t s n a m e l y 1 t h ed e s i g nt h e o r i e sa n da p p r o a c h e sa b o u td o eh a v eb e e no u t l i n e da n dat h o r o u g h c o m p a r i s o na m o n g t h ed e s i g na l g o r i t h m sh a sb e e ng i v e n a f t e ra n a l y s i s ，ak i n do f h y b r i da l g o r i t h m ，w h i c hc o m b i n e si t e r a t i o na n do p t i m i z a t i o n ，w a sp r e s e n t e d t h i s a l g o r i t h mp e r f o r m sw i t hb e t t e rs o l u t i o na n dc o n v e r g e n c ee f f i c i e n c yi nc r a c k i n gt h e n u to fp h a s e - r e t r i e v a l u s i n gt h i sa l g o r i t h m ，w es u c c e s s f u l l yd e s i g n e dd o ef o r h i g hp o w e rl a s e ro f s h e ng u a n ga n d x i n gg u a n g 1 1 1 ed e s i g n e dr e s u l tw i t hs i n g l e l a s e rb e a mi st h eb e s to n es of a r ，w h i c he x c e e d st h ea c h i e v e m e n t so f t h el a w r e n c e l i v e r m o r en a t i o n a ll a b ，u s a ，w h i c hw a s r e c o g n i z e db y t h ec o l l e a g u e sa b r o a d 2 t h ea d a p t a b i l i t yo f t h ed i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t sw i t h c o n t i n u o u sr e l i e fi nt h e p r a c t i c a ls y s t e mw a ss t u d i e d t h ee f f e c t so f t h en o n - i d e a lw a v e f r o n t ，u n - c o a x i a l s y s t e ma n da l l o c a t i o no ff o c a lp l a n eo nt h eu n i f o r mi l l u m i n a t i o nh a v eb e e n n s i m u l a t e d a n ds o m eh e l p f u lp a r a m e t e r sh a v eb e e np r o v i d e df o rt e s to f e n g i n e e r i n g 3 i ni c fs y s t e m i no r d e rt or e d u c et h eg e n e r a f i o no f f a s te l e c t r o n i c sa n di m p r o v et h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nl a s e ra n d t a r g e tp e l l e t 、f u n d a m e n t a lf r e q u e n c ya n d d o i l b i e f r e q u e n c y l a s e rm u s tb es e p a r a t e df r o mt r i p l ef r e q u e n c yo n eb yt h eu s eo f b l a z e d g r a t i n g i t sd i f f r a c t i o na c t i o na n df a b r i c a t i o ne r r o r s a r ea l s os t u d i e d m e a n w h i l e ， r i g o r o u sc o u p l e w a v em e t h o d h a sb e e nu s e df o r a n a l y s i si nt h ef r a m eo f v e c t o r - f i e l dd i f f r a c t i o no f c o l o r s e p a r a t i o ng r a t i n g 4 w i t ht h et i 曲tc o o p e r a t i o nw i t hn a t i o n a ls y n c h r o t r o nr a d i a t i o nl a b o r a t o r y ，ak i n d o f d o ew i t hl a r g e c a l i b e ra n dc o n t i n u e sr e l i e f s t r u c t u r eh a sb e e nm a n u f a c t u r e d e l e m e n t sf a b r i c a t e db vt l l i st e c h n i q u eh a v em a n y a d v a n t a g e ss u c ha sh i g h d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ya n dm a n u f a c t u r e p r e c i s i o n b yt h eu s eo f t h i st e c h n i q u e ， e t c h i n g e r r o r sh a v eb e e nr e d u c e dg r e a t l yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ll i t h o g r a p h y a t 恤es a m et i m e t h ei n f l u e n c eo ff a b r i c a t i o ne r r o r so ne l e m e n t si ss t u d i e d p a r ti i ，n a m e l y ，t h el a s tc h a p t e r ，i sf o c u s e do ns y n t h e s i so f l o n g i t u d i n a lc o h e r e n c e f u n c t i o n s b ys p a t i a l m o d u l a t i o no fa ne x t e n d e d l i g h ts o u r c e r e c e n t l y ，o p t i c a l c o h e r e n c et o m o g r a p h ya n dl o w - c o h e r e n c ep r o f i l o m e t r yh a v eb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l y a 1 lt h e s e t e c h n o l o g i e s a r eb a s e do nt h ec o n l l l l o nb a s i c p r i n c i p l e i nw h i c ht h e c h a r a c t e r i s t i co fl o n g i t u d i n a lc o h e r e n c e p l a y s ac r u c i a l r o l e u s u a l l y t h et e r m l o n g i t u d i n a l c o h e r e n c ei si d e n t i f i e dw i t h t e m p o r a l c o h e r e n c e w h e r ec o h e r e n c e b e t v z e e nt w op o i n t s a l o n g t h e p r o p a g a t i o n a x i si sd e t e r m i n e d b y t h e t e m p o r a l s p e c t r u mo f t h er a d i a t i n gs o u r c e w h i l ean e ws c h e m ef o rc o n t r o l l i n gl o n g i t u d i n a l c o h e r e n c eb yc h a n g i n gt h e s p a t i a l ( r a t h e rt h a nt e m p o r a l ) s t r u c t u r eo ft h er a d i a t i n g s o u r c ei ss u g g e s t e d i nt h i sp a r t ，w ep r e s e n tap h y s i c a li n t e r p r e t a t i o nt ot h ep r i n c i p l e o fl o n g i t u d i n a l s p a t i a l c o h e r e n c es y n t h e s i si nt h et e r m so ff o u r i e r o p t i c s a n d g e o m e t r i c a lo p t i c s b a s e d o nt h en e wi n t e r p r e t a t i o n ，w e p r o p o s e a n i m p r o v e d t e c h n i q u ef o rc o n t r o l l i n gl o n g i t u d i n a lc o h e r e n c ef u n c t i o na n dd e m o n s t r a t ei t sv a l i d i t y b ye x p e r i m e n t sw i t hq u a n t i t a t i v ed a t aa n a l y s i s f i n a l l yw ed i s c u s sa l i g n m e n ti s s u c s w i t hp a r t i c u l a re m p h a s i so nt h ei n f l u e n c eo ft i l to nt h ef r i n g ev i s i b i l i t y t h ep r o p o s e d i n t e r f e r o m e t r i cs y s t e mh a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o nt ot h es i m u l t a n e o u sd e t e c t i o no ft h e d i s t a n c ea n dt h el o c a ls u r f a c ei n c l i n a t i o no f a n o b j e c t i v 主里型兰堇查盔兰蔓主堂垡堡塞j 墅二墨盟盟堂兰! ! ! 查 第一章衍射光学概述 1 1 简介 光学是一门古老的学科，自伽利略发明望远镜以来，光学已经经历了几百年 的漫长道路上个世纪激光的出现，促进了光学技术的飞速发展，但基于折反射 原理的传统光学元件，如透镜、棱镜等大多是以机械的铣、磨、抛光等方法来制 作的不仅制作工艺复杂，而且元件尺寸大，重量重在当前仪器走向光、机、 电集成的趋势中，它们已显得臃肿因此，研制小型、高效、阵列化的光学元 件已是光学界刻不容缓的任务 关于衍射光学( d o e ：d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t s ) 的思想，我们可以追溯到 f r e s n e l 波带片出现的年代在此之前，人们一直把元件的衍射视为一种对光学 系统不利的效应而尽力克服，除此之外，对衍射而言，唯一的用场或许是它的 色散效应，人们由此发展了许多光谱仪而f r e s n e l 波带片的出现，标志着人类 第一次有目的的利用波动性去变换光在空间另一处的分布4 0 年代全息术 ( h o l o g r a p h y ) 概念的出现标志着人类对衍射效应的认识发生了急剧的变化 全息术、计算机制全息图( c g h ：c o m p u t e rg e n e r a t e dh o l o g r a m ) 和相息图 ( k i n o f o r m ) 相继出现并得以发展，它们都是有目的的利用光的衍射效应，恰 如传统的光学元件利用光的折反射实现某些功能一样尤其是c g h 和相息图， 使得光学工程师能够发展一些前所未有的具有独特性能的光学系统直到7 0 年 代，这些元件的研究和应用都取得了重大的进展然而，这些元件的应用范围 受到了极大的限制，这主要是在当时难以制造元件所需的特别精细的衍射结构 直到高级的微电子加工技术引入到光学领域，这一面貌才得以改善 上世纪8 0 年代中期，美国m i t 林肯实验室d r v e l d k a m p 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“”随后衍射光学不仅 作为一门技术，而且作为一门学科迅速地受到学术界和工业界的青睐在国际 上掀起了一股衍射光学的研究热潮在各种文献中，衍射光学也具有多个不同 的名称如：二元光学元件( b o e ：b i n a r yo p t i c se l e m e n t s ) ，全息住相片( k p p ： k i n c i f o r mp h a s ep l a t e s ) ，连续分布位相片( c d p p ：c o n t i n u o u sd i s t r i b u t e dp h a s e p l a t e s ) ，纯位相片( p p e ：p u r ep h a s ee l e m e n t s ) 等等其实这些名称之间并没有本 质的不同，它们无非是个人的喜好罢了衍射光学因其在实现光波变换上所具 有的许多超越传统光学难以具备的功能，且有利于促进光学系统实现微型化、 阵列化和集成化，因此开辟了光学领域的新视野” 关于衍射光学的准确定义，至今光学界还没有统一的说法，但普遍认为， 衍射光学是基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成( v l s i ) 电路制造工艺，在片基上( 或传统光学器件表面) 刻蚀产生台阶型或连续浮雕 结构，形成纯位相、同轴再现、且具有极高衍射效率的一类衍射型光学元件 它是光学与微电子学相互渗透与交叉的前沿学科它不仅在变革常规光学元件， 变革传统光学技术上具有创新意义，而且能够实现传统光学许多难以达到的目 的和功能，因而被誉为“9 0 年代的光学”它的出现将给传统光学设计理论和 加工带来一次革命 衍射光学是微光学中的一个重要分支，微光学与微电子学是现代科学中的 两个相辅相成的学科门类，图1 1 描述了它们相互关联的发展史 电子学 精加工技术计算机制全徽光学 集成化前端 金刚石切削息田二元光学 组台 技术 自主传感器 光刻 干法刻蚀 电子管集成电路徽处理器薄膜集成超大规模 晶体管集成电路 图1 1 光学与电子学的研究进展 可以看出光学和电子学的发展都是基于微细加工的两个关键技术：亚微米 光刻和各向异性刻蚀技术微电子学推动了衍射光学的发展，而微电子工业的 进步则得益于光刻技术的提高。此外衍射光学的发展又将促进微电子技术的发 展和提高例如，目前在大规模集成电路的制作中所采用的移相模版和在制作 光纤光栅中所采用的相位掩模也都是建立在衍射光学基础上的 衍射光学一经提出，就吸引了一些技术发达国家的注意，引起了各研究机 构、大学及工业界的极大兴趣它之所以获得如此迅速的发展，除由于具有体 积小、重量轻，容易复制等显而易见的原因外，还由于具有如下许多独特的功 能和特点2 ，7 8 ” 一高衍射效率 衍射光学元件是一种纯位相光学元件，为得到高衍射效率，如果做成多相位 阶数的浮雕结构。一般使用n 决模板可得到l ( = 2 ”) 个相位阶数，其衍射效率 为：n = l s i n ( l ) ( n l ) 1 2 由此计算，当l = 2 ，4 ，8 和1 6 时，分别有n = 4 0 5 ， 8 1 ，9 4 9 和9 8 6 利用亚波长微结构及连续相位面形，可达到接近1 0 0 的衍射效率 二独特的色散性能 在一般情况下，衍射光学元件多在单色光下使用，但正因为它是一个色散 元件，具有不同于常规元件的色散特性，故可在折射光学系统中同时校正球差 与色差，构成混合光学系统，以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能， 再利用表面上的浮雕相位波带结构校正像差这一方法已用于新的非球面设计 和温度补偿等技术中 成械集机电徽光 ”v 三更多的设计自由度 在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过改变曲面的曲率或使用不同 的光学材料校正像差，而在衍射光学元件中，则可通过波带片的位置t 槽宽与 槽深及槽形结构的改变产生任意波面，大大增加了设计变量，从而能设计出许 多传统光学所无法实现的全新功能的光学元件，这是对光学设计的一次新的变 革 四特殊的光学功能 衍射光学元件可产生一般传统光学元件所不能实现的光学波面，如非球面、 环状面，锥面和镯面等，并可集成得到多功能元件使用亚波长结构还可得到 宽带宽、大视场、消反射和偏振等特性此外衍射光学在促进小型化、阵列化、 集成化方面更是不言而喻了 1 2 国内外研究概况 自8 0 年代中期以来，美国m i t 林肯实验室发展了以下几方面的技术： ( 1 ) 发展一种基于微电子制作工艺的光学技术，用以节约资金和劳动力，获取 在设计和材料选择上更多的自由度，并开发新的光学功能元件 ( 2 ) 推动光电系统整体的计算机辅助设计 ( 3 ) 在美国工业界广泛应用衍射光学技术 进入9 0 年代，随着微细加工技术的发展，以及为了得到高衍射效率的衍射 光学元件，其浮雕结构从两个台阶发展到多个台阶，直至近似连续分布 衍射光学除在美国m i t 林肯实验室开展外，美国的圣迭戈加利福尼亚大学 的研究小组也建立了计算全息与衍射光学实验室，此外美国杜邦等公司都有衍 射光学元件及产品加拿大国家光学实验室也将衍射光学元件作为重点研究方 向，日本、德国、俄罗斯、瑞士等国的一些高校与研究所也相继开展了这一领 域的工作 在国内，许多单位都开展了衍射光学的研究鉴于衍射光学的潜在价值和 国际上的研究状况，国内一些有影响的光学专家9 0 年代初就向国家自然科学基 金委员会建议开展这方面的研究，并多次召开衍射光学方面的研讨会，全面讨 论衍射光学在我国的发展现状我的导师李永平教授早在8 0 年代末就开展了这 一方面的工作 纵观国内外研究现状，目前衍射光学的研究重点集中在三个方面：超精细 衍射结构的分析理论与设计；激光束，离子束或电子束直写技术及高分辨率刻 蚀技术，衍射光学元件在国防、工业及消费领域的应用其中衍射光学的c a d 、 掩模技术、刻蚀技术和l i g a ( 同步辐射光成形) 技术是核心技术 1 3 主要进展 经过十几年的研究，衍射光学已在设计理论，制作工艺和应用等方面取得 了突破性进屣 主璺塑兰垫垄盔堂苎主堂垡堡奎 兰：二兰丝壁丝兰! ! 查 一设计理论方面的进展 衍射光学元件的设计问题十分类似于光学变换系统的位相恢复问题，已知 成像系统中入射场和输出平面上光场分布，如何计算输入平面上位相调制元件 的位相分布，使得它正确地调制入射光场，高精度地给出预期输出图样，实现 所需功能近几年来，随着制作工艺水平的发展和衍射元件应用领域的扩展， 衍射光学元件特征尺寸进一步缩小，其设计理论已逐渐从标量衍射理论向矢量 衍射理论发展 通常情况下，当衍射光学元件的衍射特征尺寸大于光波波长时，可以采用 标量衍射理论进行设计计算全息就是利用光的标量衍射理论和傅立叶光学进 行分析在此范围内，可将衍射光学元件的设计看作一个逆衍射问题，即由给 定的入射光场和所要求的出射光场求衍射屏的透过率函数基于这一思想的设 计方法大致有g s ( g e r c h b e r g s a ) ( t o n ) 算法及其修正算法”1 ，h c ( h i l lc l i m b i n g ) 爬山法1 s a ( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) 模拟退火算法b 4 ，g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 遗传 算法吣i 和h a ( h y b r i da l g o r i t h i n ) 杂交算法“1 以及杨一顾( y g ) 算法等，这些算 法都已被应用到各种变换系统，并成功地解决了许多实际问题 在许多应用场合中，衍射光学元件的特征尺寸为波长量级或亚波长量级， 刻蚀深度也较大( 达到几个波长量级) 标量衍射理论中的近似和假设都不再成 立n ”，此时，光波的偏振性质和不同偏振光之间的相互作用对光的衍射结果起 着重大的作用，必须发展严格的矢量衍射理论及其设计方法 矢量衍射理论基于电磁场理论，须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相关的设计理论，如模态法【l ”和耦合波法【2 ”这两 种方法都是在相位调制区将电磁场展开，所不同的是它们的展开形式模态法 将电磁场按模式展开，而耦合波法则将电磁场按衍射级次展开因而，耦合波 方法涉及到的数学理论较为简单，给出的是可观察的衍射各级次的系数，而不 是光磁场模式系数但总的来说，用这些理论方法设计衍射光学元件都要进行 复杂和费时的计算机运算，而且仅适合于周期性的衍射元件结构。因此，当衍 射结构的横向特征尺寸大于光波波长时，光波的偏振属性变得不那么重要了， 仍可采用传统的标量衍射理论得到一些合理的结果 二制作工艺方面的发展 衍射光学元件的基本制作工艺是超大规模集成电路中的微电子加工技术 但是，微电子加工属薄膜图形加工，主要需控制的是二维的薄膜图形：而衍射光学 元件则是一种表面三维浮雕结构，需要同时控制平面图形的精细尺寸和纵向深度 加工难度更大 近几年来在v l s i 加工技术、电子，离子刻蚀技术发展的推动下。衍射光学 制作工艺方面取得的发展集中表现在：从二值化相位元件向多阶相位元件，甚至 连续分布相位元件发展，从掩模套刻技术向无掩模直写技术发展 最早的衍射光学元件制作工艺是用图形发生器和v l s i 技术制作二阶相位型 衍射光学元件到8 0 年代后期，随着高分辨率掩模版制作技术的发展( 如电子束 制版分辨率可达o 1 p r n ) ，掩模套刻，多次沉积薄膜的对准精度的提高，- q - 以制作 多阶相位衍射光学元件，大大提高了衍射效率 但是离散化的相位以及掩模的对准误差，仍影响衍射光学元件的制作精度和 衍射效率的提高为此，9 0 年代初开始研究直写技术“1 ”】，省去掩模制作工序， 直接利用激光和电子束在基底材料上写入所需的二维或三维浮雕图案利用这 4 中国科学技术大学博士学位论文 第一章衍射光学概述 种直写技术，通过控制电子束在不同位置处的曝光量，或调制激光束的强度，可以 刻蚀多阶相位乃至连续分布的表面浮雕结构 无掩模直写技术较适合于制作单件的二元或多阶相位元件，或简单的连续轮 廓，而利用激光掩模和套刻制作更适合于复杂轮廓和成批生产 在掩模图案的刻蚀技术中，目前主要采用高分辨率的反应离子刻蚀，薄膜沉 积技术其中离子束刻蚀的分辨率高迭0 1 p x n ，且图案边缘陡直准确，是一种较 为理想的：h a y - 手段 衍射光学元件的一个很大的优点是便于复制常用的复制技术有：铸造法， 模压法和注入模压法，其中电铸成型模压复制将是未来大规模生产的主要技术 根据衍射光学元件的特点，其他一些新工艺，例如l i g a ，溶胶，凝胶，热溶及 离子扩散等技术也被应用于加工衍射光学元件，还可利用灰阶掩模及p m m a 紫 外感光胶制作连续相位器件 展望未来，衍射光学的发展将会集中在以下几个领域深入开展： l 、超精细结构衍射光学元件的设计和加工 2 、衍射光学软件的开发 3 、微光学、微电子学和微机械的集成技术和高性能集成系统 可以预见，随着衍射光学的发展及与相关学科结合的深入，它必然产生一个 全新的科研领域和更广阔的微光机电的商业市场 里型兰垫查盔堂堕圭堂垡丝塞 蔓二垦塑墅堂兰塑堕 参考文献 1 w b v e l d k a m p tj m c h u g h b i n a r y o p t i c s s c i e n t i f i c a m e r i c n ，1 9 9 2 ，2 6 6 ( 5 ) ：9 2 9 7 2 jl c g c r , mh o l z 。gs w a n s o n ，e ta 1 c o h e r e n tl a s e rb e a ma d d i c t i o n ：a na p p l i c a t i o no f b i n a r y o p t i c st e c h n o l o g y j o u r n a lo f l i n c o l nl a b 1 9 8 8 ，1 ( 2 ) ：2 2 5 2 4 6 3wb v e l d k a m p o v e r v i e wo f m i c r o o p t i c s ：p a s t ，p r e s e n t ，a n df u t u r e s p l e , 1 9 9 1 ，1 5 4 42 8 7 2 9 9 4 nc g a l l a g h e rb i n a r yo p t i c si nt h e 9 0 s s p i e , 1 9 9 0 1 3 9 6 ：7 2 2 7 3 3 5 wb v e l d k a m pb i n a r yo p t i c s ：t h eo p t i c st e c h n o l o g y o f t h e1 9 9 0 s c i e o , u s a1 9 9 0 ：2 1 - 2 6 6 wb v e l d k a m pb i n a r yo p t i c s ：m c g r a w - h i l ly e a r b o o k o f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n e wy o r k ： m c g r a w h o l l a n d ，1 9 9 0 7 mrf e l d m a n d i f f r a c t i v e o p t i c sm o v e s i n t ot h ec o m m e r c i a la r e a l a s e rf o c u sw o r m , 1 9 9 4 ：1 4 3 - 1 5 l 8 wl e e c o m p u t e r g e n e r a t e dh o l o g r a p h y p r o g r e s si no p t i c s w o l f e e d a m s t e r d a m n o r t h h o l l a n d ，1 9 7 8 ，1 6 ：1 7 2 9 mg t e m m e n ，adk o t h m a n ，rl c l a r k h o l o g r a p h i co p t i c s ：o p t i c a l l ya n dc o m p u t e rg e n e r a t e d s p i e ，1 9 8 9 ，1 0 5 2 ：1 0 8 2 - 1 1 2 1 0 y e l i ，d o n g h u i ，y a o k u n ，d e s i g no f p h a s ep l a t e s f o r c h a n g i n g t h e w a v e f r o n to f l a s e r s o p t i c sc o m m u n i c a t i o n ，1 9 8 8 ，6 6 ( 2 ，3 ) ：1 2 2 - 1 2 6 1 1 r w g e r c h b e r g w o s a x t o n a p r a c t i c a la l g o r i t h m f o r t h e d e t e r m i n a t i o no f p h a s e f r o m i m a g e a n da i f f r a c t i o np l a n ep i c t u r e s o p t i k , 1 9 7 2 ，3 5 ：2 3 7 2 4 6 12 jr f i e n u p h e r a t i v em e t h o da p p l i e dt oi m a g er e c o n s t r u c t i o na n d t oc o m p u t e r - g e n e r a t e d h o l o g r a m s o p t e n g , 1 9 8 0 ，1 9 ：2 9 7 3 0 6 1 3 m a s e l d o w i t z s y n t h e s i s o f d i g i t a lh o l o g r a m s b y d i r e c tb i n a r ys e a r c h a p p l i e d o p t i c s 1 9 8 7 2 6 ( 1 4 )