（凝聚态物理专业论文）光折变相位图和相位元件.pdf

ab s t r a c t u s i n g o p t i c a l i m a g i n g m e t h o d , w e s u c c e s s f u l l y f a b r ic a t e p h o t o r e f r a c t i v e p h a s e m a s k a n d p h o t o r e f r a c t i v e p h a s e c o m p o n e n t s ( s u c h a s p h a s e z o n e p l a t e , p h a s e d a m m a n n g r a t i n g , l e n s a r r a y , ( l + l ) - d i m e n s i o n a l , ( 2 + 1 )- d i m e n s i o n a l , c i r c l e a n d r i n g w a v e g u i d e s a n d s o o n ) f o r t h e f i r s t t i m e , i n l in b 0 3 :f e c ry s t a l b y p h o t o r e f r a c t i v e e ff e c t . u s i n g t h e 户o t o r e f r a c t i v e s a t u r a b l e n o n l i n e a r i t y , w e f a b r i c a t e b o t h t y p e s o f s t e p a n d g r a d i e n t p h o t o r e f r a c t i v e p h a s e c o m p o n e n t s t h r o u g h t h e w a y s o f d ig i t a l r e c o r d i n g a n d a n a lo g r e c o r d i n g u n d e r d i ff e r e n t r a t i o o f l i g h t i n t e n s i ty i / i d , r e s p e c t i v e l y . t o o v e r c o m e t h e i n fl u e n c e o f t h e a n i s o t r o p y o f p h o t o r e f r a c t i v e n o n l i n e a r i t y o n f a b r i c a t i n g t w o - d i m e n s i o n a l p h a s e c o m p o n e n t s , a n d t o r a i s e t h e d i ff r a c t i o n e f f i c i e n c y o f t h e q u a n t i z e d p h a s e z o n e p l a t e , w e d e d u c e t h e o r e t i c a l l y a n d s e l e c t e x p e r i m e n t a l l y o p t i m a l e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s . w e s h o w t h a t w r i t i n g c o n d i t i o n s c a n b e c o n t r o l l e d b y t h e i r r a d i a t i o n o f t h e i n c o h e r e n t b a c k g r o u n d l i g h t . w e o b s e rv e d t h a t t h e p h o t o r e f r a c t i v e p h a s e m a s k i s v i s i b l e , a n d e x p l a i n i t u s i n g t h e p r i n c i p le o f w a v e g u i d e f o r t h e f i r s t t i m e . i f w e u s e t h e p h o t o r e f r a c t i v e p h a s e m a s k t h a t r e p l a c e s t h e a m p l i t u d e m a s k a s t h e i n p u t m a s k i n o p t i c a l i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g , t h e e n e r g y l o s s c an b e l a r g e r e d u c e d , a n d w e c a n g e t h i g h e r c o n v e r s i o n e ff i c i e n c y . i f w e u s e it i n o p t i c a l c o r r e l a t o r , w e c a n g e t m u c h s h a r p e r c o r r e l a t i o n p e a k . o u r m e t h o d h a s t h e a d v a n t a g e s o f r e a l - t i m e , s i m p l e , l o w c o s t a n d t h e c ry s t a l c a n b e u s e d c i r c u l a r l y . i t a d v a n c e s a n e w w a y f o r f a b r i c a t i n g b i n a ry o p t i c a l c o m p o n e n t s a n d i n t e g r a t e d o p t i c a l c o m p o n e n t s u s i n g t r a d i t i o n a l m e t h o d . i t i s a n e w o p t i c a l e n g in e e r i n g o f v a r i a b l e r e f r a c t i v e i n d e x u s i n g a l l o p t i c a l m e t h o d - t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f t h e r e f r a c t i v e i n d e x i n c ry s t a l i s c h a n g e d d i r e c t l y b y t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f t h e i n p u t l i g h t i n t e n s i ty t h r o u g h n o n l i n e a r o p t i c a l e ff e c t . k e y w o r d s : p h o t o r e f r a c t iv e , i n t e g r a t e d o p t i c s , b i n a r y o p t i c s , p h a s e m a s k , p h a s e c o m p o n e n t s 第一章绪论 第一章绪论 光通信的蓬勃发展要求光学元、器件小型化和集成化。正如集成电路那样，将各 种元件和器件集中在同一个衬底上。同时，对于光学信息低损耗传输和处理的需要， 相位图和相位元件将会逐步替代高损耗的振幅型元、器件。这些要求进一步促进了集 成光学元、器件在设计和制作方面的发展。 集成光学是继激光问世以来，从七十年代初开始迅速形成和发展的一门边缘学科 和新兴技术。它是研究以光导波现象为基础的光子和光电子系统。集成光路的最初设 想，是把从光源到探测器的整个光路全部集成在同一衬底上，以形成一个紧凑、密 实、体积小巧的单片集成光路。只有这样才能最大程度地体现出集成光学的全部优点 和满足日益发展的光通信的要求。 目前，大量的集成光路工作集中于g a a s 和g a a l a s 体系，这是由于它们可以制成有 源单片式集成光路:用发光的有源材料作衬底，发光二极管或激光器就形成在衬底晶 片上，用作集成光路的光源。并且许多集成光学器件，例如，波导，光源，探测器， 祸合器，开关，调制器，滤波器，放大器，偏振器，透镜等，都已研制成功，有分立 的器件，也有与波导集成在一起的形式。但是，无论从整个光路的研制水平，或单个 功能器件的研制和开发应用来看，目前仍需要利用那些某种性能 ( 如电光、声光、磁 光、热光等)特别优异的材料，来研制分立的或阵列的功能器件。特别是l i n 6 0 , 晶 体，从可见光至中红外 ( 0 . 4 u m -5 1i m )范围内，光在l i n b o a 晶体中的透过率高达 9 8 % ;它还有极高的电光系数和声光系数，因而可以作为除激光器和探测器以外所有 器件的衬底材料 ， ， 在集成光学中 有最广泛的 应用。 我们首次提出并实验证明了一种利用l i n b o 。 晶体光折变效应制作光折变相位 图的新方法，这种方法还可制作某些相位元件，例如，相位波带片、达曼光栅、 透镜阵列及其它相位元件乃至整个集成光路。 光折变效应 ( p h o t o r e f r a c t i v e e f f e c t )是光致折射率变化效应 ( p h o t o - i n d u c e d r e f r a c t i v e i n d e x c h a n g e e f f e c t )的缩称。 光折变效应首先是由贝 尔 实验室的a s h k i n 等人于1 9 6 6 年代发现的 1. 2 。自 从c h e n 等人认识到光折变材料是一 种优质的光数据存贮材料以后 3 ， ，引起人们对它的普遍重视和极大兴趣，并且开 展了广泛的研究。至今，在该效应基础上的光放大、光孤子、空间光调制器、光 学时间微分器、自泵浦相位共扼器、双相位共辘器、光存储器等多种器件已逐渐 发展成熟。 光折变效应是电光材料在光辐照下，它的折射率随光强的空间分布而变化的 效应。光折变效应导致的这种折射率变化与一般在高功率激光场作用下，由强光 非线性引起的折射率变化有明显的不同。首先，光折变效应引起的这种折射率变 第一章绪论 化与光强无关，只与光强分布有关。光强的大小仅影响光折变进行的速度。若用 弱激光照射光折变晶体，只要时间足够长，也会产生明显的光致折射率变化。而 强光非线性只有在极高功率的光场作用下，才能显示出明显的光学非线性效应。 另外，光折变可以具有非局域响应 ， 。 不仅l i n b o , 和l i t a o , 晶体具有光折变效应，电光晶体都具有这种光折变效应。 例如在铁电晶体k n b 0 s b n 等铁电氧化物和顺电相晶体b s o , b g o , b t o 等立方硅族 氧化物以及半导体g a a s , i n p , c d t e 等材料中都观察到了光折变现象。而l i n b 0 , 晶 体不仅是最早发现光折变效应的晶体，而且由于其许多优越的性能，成为不可替 代的重要光折变材料。虽然l i n b o : 晶体的光折变性能已经被研究了三十多年，从 最初对光折变效应机理的研究，发展到现在可以对其光折变性能进行调控和应 用，但是，有人曾经预言的 “ 象半导体材料中硅一样重要的地位”至今仍然没有在 l i n b o , 晶体上得以实现。 我们利用l i n b o : 晶体光折变效应制作光折变相位图和相位元件的新方法，是 纯光学方法一成像方法，它具有实时性、简便、成本低等优点;作为输入信息的 振幅掩模可以由液晶光阀代替，信息由计算机输入，复制和更换方便;用来制作 的l i n b o , : f e 晶体可以循环使用。同时，我们还在l i n b 0 , : f e 晶体中用光折变空间孤子 制作了多种波导，更进一步拓宽了l i n b 0 , 晶体的应用领域。在这个信息时代，相信这 些新的应用，在信息处理以及信息高速公路和集成光学中会有广阔的应用前景。 参考文献 1 . 习 蔡伯荣， 集成光学，电子科技大学出版社，2 3 9 - 2 4 7 , ( 1 9 9 0 ) 1 . 2 ) a . a s h k i n e t a l . a p p l p h y s l e t t . ，9 , 7 2 ( 1 9 9 6 ) 1 . 3 1 f . s . c h e n e t a l ，a p p l . p h y s . l e t t . ， 1 3 , 2 2 3 ( 1 9 6 8 ) 1 . 4 刘思敏、郭儒、凌振芳等 光折变非线性光学，中国标准出版社， 3 , ( 1 9 9 2 ) 第二章理论基础 第二章理论基础 2 . 1光折变效应【2 . 1 1 光折变效应是发生 在电 光材料中的一种复杂的光电 过程2 . 2 -2 . 5 1 。 这个过程可以 概括 为:电光晶体内存在着某些杂质或缺陷，这些杂质或缺陷充当电荷的施主或受主。当 晶体在光辐照下，杂质或缺陷上的电荷受激发而进入导带或价带。在导带或价带中的 电子或空穴因浓度梯度而扩散， 或在外加电场作用下漂移， 或由 光生伏打效应而运动。 这些迁移的电 荷可以 被受主俘获。经过再迁移，再俘获，最终离别了光照区而定居于 暗区。这样，由于这些杂质或缺陷上的电荷分布的变化，形成了与光强分布相对应的 空间电荷分布，从而产生相应的空间电荷场。空间电荷场通过电光效应而使晶体的折 射率发生变化。 从光折变效应的基本过程可以看出， 充当电荷施主或受主的杂质或缺陷在光折 变效应中有着重要作用， 因为只有通过它们才能引起晶体中的电荷在空间的重新分 布。因此选择材料的杂质、缺陷或掺杂是优化材料光折变性能的一条重要途径。 l i n b o ; 晶体作为一种重要的光折变材料可以有许多应用，如三维体全息存储 器、窄带滤波器、 相位共扼器和功率限制器等等。 同时作为一种优良的光学非线性 材料， 也可以作为光学倍频、 光学参量振荡器等。 由于它本身结构具有一定的特殊 性，它的晶格能够容纳大量的外来杂质。例如，当铁离子被掺入l i n b o : 晶体时， l i n b 0 3 晶体的光折变灵敏度大大提高;掺入镁离子时，晶体的光折变灵敏度会被 抑制;而双掺l i n b 0 3 晶体有许多优良的性质 ( 如光致散射的光强阐值效应，较快 的响应时间等) 。在我们的实验中使用的样品都是l i n b 0 3 :f e 晶体。 l i n b o , 晶体为3 m 点群的负单轴晶体(2 . 6 1 。 在它的电 光张量中， 非零的张量元r ;, ( i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , j = 1 , 2 , 3 ) 有r, r ,5= r 2 7 , r 2 2 - r )2 - r b , , r 5 , = r 4 2 ， 故只有四个独立的 非零电光系数，这些系数的值，与材料的受力或应变情况有关。 有效电 光系数的计算公式为(2. 11 r.， 一 。 : 二 (r -k g /ik ,1) 。 杯 ( 2 . 1 一 1 ) 对 于 单 光 束 写 入 情 况， 其中己 、 = e : 为 写 入 光 束 偏 振 方向 的 单 位 矢 量， 张 量 ， 。 为 二 阶 介 电 张 量 ， k , 仁b i为 空 间 电 荷 场 方 向 的 单 位 矢 量 。 令 ” x 一 。 . ( r . k 8 /ik , 卜 。(2 . 1 - 2 ) 则 有r u ff = e , - s x . 6 , / n 0 ( 2 . 1 - 3 ) 当写入光垂直于晶体表面和晶体c轴时，光线的传播方向沿坐标轴 轴方向沿z 轴，如果空间电荷场的方向平行于z 轴，则有: r为三阶电光 y 轴，晶体c 第二章理论基础 ( 一 几 z k : + rl o k 3 ) n a- r , 2 k 2 + r ,3 k 3 ) n o 8 义一 2 k , n 之 r , ,k ,n o n . 一 r z z k ,n a o ( r 2 2 k 2 + r ,3 k 3 ) n o r , , k 2 n 三 n : r 5 . k ， n o n e r , , k 2 n z n 2 r 3 3 k 3 n oo3n 几 0 r ,3 n ao ( 2 . 1 - 4 ) j，e rlncuo 民曰|l几|les|j 一一1 所以，当入射光为 当入射光为 光时， 光时， r e r r e f . r ( 2 . 1 - 5 ) 由光折变引起的折射率改 变 n 正比于空间电 荷场e 二 (2 . u .5 c a 。 二 一 工 n 3 r ff e . ( 2 . 1 - 6 ) l i n b o , : f e 晶体的光生载流子为电子， 沿c轴方向的光生伏打场是占优势的光生载流子 迁移机制。 因此，由 ( 2 . 1 - 5 )式可得 一合 n 3r33e ., 当入射光偏振平行于晶体c轴，即e 光写入时 ( 2 . 1 - 7 ) 入射光偏振垂直于c轴，即。 光写入时 。 二 一 工 n r e 2 ( 2 . 1 - 8 ) 在l i n b o , 晶体中 ， r 3 2 . o p m 八， r= 7 . 7 p m 八， ” ， 即r 3 3 r ,3 ， 所以 ，当 其它条 件允 许时，总是尽量选用e 光作为写入光以获得最强的光折变效应。 夸 2 . 2饱和非线性介质中的变折射率光学工程 2 . 7 1 2 . 2 . 1饱和非线性 饱和非线性是最典型的一种光学非线性， 它存在于许多非线性介质中。 描述饱和非 线性函 数 n ( i ) 的主 要参量是: 饱和强 度工 二 : ， 最大折射率改 变n 。 和k e r r 系数n 2 。 其 唯象模型为2 . 8 1 4 n ( i ) 二 n 二 i i , i 一 不 r下 ( 2 . 2 - 1 ) 这里 p=n 2 i火 a n ( i ) 在弱辐照条件下，即i i , 时，如如， ， 达到饱和值。 0. e 06 0 . 4 0. 2 砍 s 1 0 1 s 20 图2 . 1 在l in b 0 3 :f e 晶体中n / n : 与i / i d 的关系曲 线. 互 2 . 2 . 2变折射率光学工程 众所周知，变折射率元、器件 ( 例如波导，光纤，g r i n( 梯度折射率棒) ，光子晶 体等) 在光电子学中起着重要作用。在晶体材料中，可以由 各种技术制作:离子扩散， 离子交换，离子注入，光刻等。但是，这种制作工艺复杂，成本高，周期长，不能实 第二章理论基础 时进行。 随着光通信， 集成光学和光学信息处理的飞速发展， 人们提出了由光导向光的进一 步需求。光学空间孤子的研究展示光导向光的可能性。利用非线性光学效应，通过入 射光强的空间分布直接实现了介质中折射率的空间分布，从而制作各种变折射率元、 器件， 以至整个集成光路， 达到实时 ( 瞬态) 或稳态导向光和进行各种信号或信息处理 的目的，这就是 “ 变折射率光学工程”的主要目的和内容。其中 “ 光学”二字是为了 区别于其它非光学方法制作变折射率元、器件的技术。它的记录方式包括干涉法、成 像法和光学傅里叶变换法，其中成像法又分为模拟记录和数字记录两种方式;变折射 率的类型分为周期型，梯度型和阶跃型;它所利用的非线性光学效应可以是瞬态的强 光作用下的二阶， 三阶非线性光学效应， 光热效应， 热一 电 一 光 ( p y r o - e l e c t r o - o p t i c ) 效应， 也可以是稳态的光折变效应和光学极化 ( 光控畴反转)效应等。 近年来， 由光折变效应制作波导的技术已 经得到证明: 或通过按一定方式排列的聚 焦光斑组成波导2 . lo ， 或由 亮或暗空间孤子自 感应写入波导12 . i i - 2 . 14 ， 或由 光学傅里叶变 换法在傅里叶频谱面上写入波导阵列2 . i5 1 在三种变折射率类型中，“ 周期型”一般是用干涉法、光学极化法、光学刻蚀法记 录。它除了我们熟知的体相位栅 ( 它己成功应用于实时全息术)外，还可以制作光学 超晶格材料，非线性光子晶体及光子器件。 我们用成像法在光折变晶体中用数字记录和模拟记录方式分别制作了阶跃型和梯 度型光折变相位图和相位元件，下面分别叙述。 “ 阶跃型” 变折射率类型的元、 器件的制作是通过将二元振幅掩模成像在饱和非线 性介质的入射面处。实际上，一般的输入振幅图都是二元的，即或亮或暗，没有灰 度变化， 因而此时只要求亮区与暗区的相位变化有尽可能大的差异即可， 在这种情 况下， 可以 采用数字记录方式， 并没有必要要求n 与i ( x , y ) 的线性关系。 由图2 . 1 可知， 对于 辐照暗区， i= o , a n = 0 , 为“ 0 ” 位， : 对 于 辐 照 亮区， i i d , 阿 a n . - 1 , 为“ 1 ” 位， 相应的 n 接近饱和值 n . ， 因 此采用数字记录方式， 可以写入阶跃型相 位变化。而且这种数字记录方式可有效地抑制噪音的影响，提高信噪比。 用二元振 幅图作为输入掩模，写入一段时间后，透射光在光折变 l in b 0 3 :f e晶体中便产生了阶 跃的相位变化 中 ， 小 一 2n o n l( 2 . 2 - 6 ) 其中a 为入射光波长， l为光在晶体内的几何路程。n 为辐照暗区与亮区的折射 率差值。 我们在l i n b o , : f e 晶体中 研制的光折变相位图 均是这样记录的【 2. is l 。 它是比 较 容易实现的。 “ 梯度型”变折射率元、器件的模拟记录存在以下问题: ( 1 ) 它必须在 n ( i ) 与i 之间的线性区域中 用信号光波的连续变化来模拟记录， 或采用多级量化方法近似模拟记录。在 k e r r 介质中，由于 n正比于 工 ，这样的记录 是容易实现的。 但在饱和非线性介质 ( 如光折变l in b 0 3 :f e 晶体) 中， 如公式 ( 2 . 2 - 5 ) 第二章理论基础 和图2 . 1 所示，它必须在 i 0 的自 聚焦介质，适当的 工 。 偏置也可以使自 聚焦转化为自 散焦。 据有些实验 工作报导，在一定强度分布的背景光辐照下，一定的信号光束尺寸及 工 八、 之比的条件 下， 可以 实现圆 对称的涡旋亮空间孤子2 . 19 . 2 y o 。 上述工作为解决梯度型变折射率元、 器件的模拟记录提供了新思路。 迄今为止， 尚未见到对于二维情况下， 由非相干均匀辐照光对于光折变非线性的偏 置与调节作用的报导。可是，在梯度折射率光学工程中所面临的多属于二维情况。可 以预料，其中的难度及复杂性会远远超过一维情况。目前，我们已经推导出了一维和 二维情况下，在一定的近似条件下，光生伏打光折变介质中非相干均匀辐照光对其非 线性影响的理论公式2 . 9 , 2 2 ， 2 2 2 1 ， 得到了 在晶 体中 存在圆对称性涡旋空间 孤子的可能性。 我们在l i n b o , : f e 晶体中的实验工作表明1 . 2 , 1 ， 在晶 体入射面与出 射面构成的非线性法 布里一拍罗干涉腔中，由于多光束的同相位相长干涉与光折变效应的共同结果，在一 定实验条件下，在该晶体中可支持亮空间孤子，实现了 从自 散焦到等效 “ 自 聚焦”的 动态转换。 我们在本论文的第四章中叙述了在l i n b o , : f e 晶体中外加非相干背景光后， 不同实验条件对模拟记录的影响。 第二章理论基础 2 . 3二元光学2 . 24 1 二元光学是指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 )电路制作工艺，在片基上 ( 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，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。 它是光学与微电子学相互渗透与交叉的学科，不仅在变革常规光学元件和传统光学技 术上有创新，而且能够实现许多传统光学难以达到的功能和目的。 2 . 3 . 1二元光学设计理论基础 二元光学的理论基础源于光波的衍射理论， 包括傅里叶光学、 全息术和计量全息术 等等。二元光学元件的设计十分类似于光学变换系统中的相位恢复问题: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相位调制元件的相位分布， 使得它正确地调制入射波场，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， 二元光学元件特 征尺寸进一步缩小，其设计理论己 逐渐从标量衍射理论向 矢量衍射理论发展。但通常 情况下，当二元光学元件的衍射特征尺寸大于光波波长时我们所制作的光折变相 位元件正是这样，仍可以采用标量衍射理论进行设计。 计算全息2. 2 5 就是利用光的 标量衍射理论和傅里叶光学进行分析的，二元光学元件 衍射效率与相位阶数之间的数学表达式也是标量衍射理论的结果。在此范围内，可将 二元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。基于这一思想的优化设计方法大致有盖师贝格撒克斯通 ( g e r c h b e r g - s a x t o n ) 算法 ( g s ) 或误差减法 ( e r ) 及其修正算法2 . 2 6 . ” ， 、 直接二元 搜索法 ( d b s 也称爬山 法 ( h c ) ) 2 . 2 8 1 、 模拟退火算法 ( s a ) 2 . 2 8 ) 和遗传算法 ( g a ) 2 . 76 1 0 其中模拟退火算法是一种适合解决大规模组合优化问题的方法，它具有描述简单、使 用灵活、应用广泛、运行效率高和较少受初始条件限制等优点;遗传算法是一种借鉴 生物界自 然选择和自 然遗传机制的高度并行、随机、自 适应搜索算法，它将适者生存 原理同基因交换机制结合起来，形成一种具有独特优化机制的搜索技术，而且特别适 用于并行运算，已被应用到诸多领域。此外，中国科学院物理研究所杨国祯和顾本源 提出 任意线性变换系统中振幅一相位恢复的一般理论和杨一顾 ( y - g ) 算法2. 7 11 也成功 地应用于解决多种实际问题和变换系统中。 只有当二元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)时，标量衍射理论中的假设和近似便不再成立，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。虽然己经发展几种有关的设计理论，如积分法、微分法、模 第二章理论基础 态法和祸合波法。但用这些理论方法设计二元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。对于更复杂的衍射结构， 还有待发展实用而有效的设计理论。 我们制作的光折变相位元件大多是有两个或多个相位台阶的纯相位的、 具有高衍射 效率的衍射光学元件，可以用二元光学的理论进行推导和设计。它与一般二元光学元 件的区别在于，后者是在折射率均匀的介质中制作台阶形式的表面浮雕结构，即通过 厚度的二元变化以形成衍射光学元件。我们制作的二元光折变相位元件则是利用光折 变效应，形成折射率的阶跃式二元变化，以形成衍射光学元件。 2 . 3 . 2二元光学元件的制作 传统二元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;而二元光学元件 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，其加工 难度更大。 标准的制作二元光学元件的方法是由二元掩模版经多次图形转印、 套刻形成台阶式 浮雕表面。掩模版可以用绘图机绘制成红膜图再经过粗缩和精缩，将图形缩小转印在 干版上而成;也可以用光学或电子束图形发生器直接曝光生成图形。 图形转印技术分为接触式、 投影式和分步投影式光刻三种。 接触式光刻最大的缺点 是:基片与振幅掩模直接接触引起光刻胶面损伤及掩模变形，影响光刻精度。改进成 接近式光刻又会由于衍射效应，影响振幅掩模与基片图形的一致性。投影式光刻和分 步投影光刻目 前己有成品， 如美国新型m i c r o - m i c r o e i g m - 5 0 0 型投影光刻机采用2 4 0 n m 远紫外光曝光，有效分辨率n， 半径r 和偏转角 故 l a l ， 这表明光线向 折射率高的方向 偏转。 弧长 l 依赖于曲 率 l l ，即: 二ra =( r一 4 l一 l 二 匀) s d y 8 。 一 与a l 一 l ) 一 1 里 - n 4 y一 y n ( 2 . 4 - 3 ) 二 生 竺a l ， 二 n 4 y 生 竺从二 1 a n 此 n 勿n勿 l i g h t泥 。 图2 . 2 光通过梯度折射率介质的偏转 如果光在介质中穿越长度为l ，则对上式积分: 。 二 工 t om . 公了 d l = 生 鱼l n勿 ( 2 . 4 - 4 ) a l = r 生 色l n a y 令 l= l，则解得 r nonli dy 如 果折射率不仅在 y 方向 有变化， _cl n二 n ， o n. vn=i +i +- x 汰即 一7 z 、， a n_ 则 a y 分 “ ” : ( 2 . 4 - 5 ) 第二章理论基础 、 = 工 o n - l r= 卫( 2 . 4 - 6 ) vn 这表明折射率梯度越大， 光通过介质所弯曲的曲率半径越短， 而且入射光线在不均 匀介质中总是朝向折射率高的方向偏转。 介质的折射率梯度构成了物质的非均匀性，它可以由热效应、克尔效应和电致 伸缩等各种作用引起。 我们制作的光折变相位元件的折射率的改变是由光折变效应 引起的。 第二章理论基础 参考文献 2 . 1 刘思敏，郭儒等 光折变非线性光学 中国标准出版社( 1 9 9 2 ) 2 . 2 d . l . s t e a b l e r a n d j . j . a m o d e i , j . a p p l . p h y s . ，4 3 , 1 0 4 2 ( 1 9 7 2 ) 2 . 3 a . m . g l a s s e t a l . ，a p p l . p h y s . l e t t，2 5 , 2 3 3( 1 9 7 4 ) 2 . 4 1 n . v . k u k h t a r e v e t a l , f e r r o e l e c t r i c s , 2 2 , 9 4 9( 1 9 7 9 ) 2 . 5 j . f e i n b e r g e t a l，j . a p p l . p h y s , 5 1 , 1 2 9 7( 1 9 8 0 ) g . c . v a l l e y , e t a l . ，d a r k a n d b r i g h t p h o t o v o l t a i c s p a t i a l s o l i t o n s p h y s . r e v . a , 5 0 ( 6 ) ，4 4 5 7 ( 1 9 9 4 ) 2 . 6 蔡伯荣 集成光学， 电子科技大学出版社， 2 3 9 ( 1 9 9 0 ) 2 . 7 刘思敏，陈晓虎，温海东，江瑛，许京军 张光寅，饱和非线性光学介在 质中的变折射率光学工程，物理，( 2 0 0 1 ) 2 . 8 y . s . k i v s h a r , b . l n t h e r - d a v i e s p h y s . r e p . 2 9 8 ( 2 - 3 ) ， 8 1 ( 1 9 9 8 ) 2 . 9 凌振芳，郭儒，刘思敏，张光寅，物理学报，4 9 ( 3 ) , 4 5 5 ( 2 0 0 0 ) 2 . 1 0 0 . m a t o b a , e t a l .，j . o p t . s o c . a m . b 1 5 ( 7 ) ，2 0 0 6 ( 1 9 9 8 ) ; k . i t c h , e t a l .， o p t . l e t t .， 1 9 ( 9 )， 6 5 2 ( 1 9 9 4 ) 2 . 1 1 m . . s e g e v a n d g . s t e g e m a n， p h y s . t o d a y， 5 1 ( 8 ) ，4 2 ( 1 9 9 8 ) 2 . 1 2 m . t a y a , e t a l . ，p h y s . r e v . a , 5 2 ( 4 ) ，3 0 9 5 ( 1 9 9 5 ) 仁 2 . 1 3 s i m i n l i u , e t a l . ，a p p l . o p t . 3 6 ( 3 4 ) ，8 9 8 2 ( 1 9 9 7 ) 2 . 1 4 刘思敏等，物理学报，4 7 ( 3 ) , 4 3 0 ( 1 9 9 8 ) 2 . 1 5 0 . m a t o b a , e t a l . o p t . l e t t . ，2 1 ( 2 ) ，1 2 2 ( 1 9 9 6 ) ; 0 . m a t o b a , e t a l . ，o p t . c o m m u n . ，1 4 5 , 1 5 0 ( 1 9 9 8 ) . 2 . 1 6 温海东，刘思敏等，中国激光， 2 8 ( 1 ) , 5 5 - 5 8 ( 2 0 0 1 ) 2 . 1 7 s . b i a n , e t a l . p h y s . r e v . l e t t . 7 8 ( 2 1 ) ，4 0 3 5 ( 1 9 9 7 ) 2 . 1 8 c . a u a s t a s s i o u , e t a l . ， o p t . l e t t . 2 3 ( 2 ) ，9 2 4 ( 1 9 9 8 ) 2 . 1 9 z . c h e n , e t a l . ，p h y s . r e v . l e t t 7 8 , 2 9 4 8 ( 1 9 9 7 ) . 仁 2 . 2 0 z . c h e n , e t a l . ，o p t . l e t t . 2 2 , 1 7 5 1 ( 1 9 9 7 ) . 2 . 2 1 g u o r u , l i n g z h e n g f a n g , l i u s i m i n , x u j i n g j u n , z h a n g x i n z h e n g , z h a n g g u a n g y i n , e f f e c t o f u n i f o r m b a c k g r o u n d i l l u m i n a t i o n o n p h o t o v o l t a i c n o n l i n e a r l i t y i n 2 d ，o p t . c o m m u n . ， 1 8 0 , 1 4 7 ( 2 0 0 0 ) 2 . 2 2 g u o r u , l i n g z h e n g f a n g , l i u s i m i n e t a l . s a t u r a b l e n o n l i n e a r l i t y i n p h o t o v o l t a i c - p h o t o r e f r a c t i v e c r y s t a l s u n d e r o p e n - c i r c u i t c o n d i t i o n ，c h i n . p h y s . l e t . ，1 7 ( 1 1 ) ，8 0 4 ( 2 0 0 0 ) 2 . 2 3 江瑛， 刘思敏， 温海东，张心正，郭儒，陈晓虎， 许京军， 张光寅， 光 生伏打l i n b 0 3 :f e 晶 体从自 散焦到等效“ 自 聚焦”的动态转换， 物理学报， 5 0 ( 3 ) , 4 8 3 ( 2 0 0 1 ) 第二章理论基础 2 . 2 4 金国藩，严瑛白等 二元光学，国防工业出版社，( 1 9 9 8 ) 2 . 2 5 虞祖良，金国藩等，计算机制全息图，清华大学出版社，( 1 9 8 4 ) 2 . 2 6 g e r c h b e r g r w , s a x t o n w 0 . a p r a c t i c a l a 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 n o f p h a s e f r o m i m a g e a n d d i f f r a c t i o n p l a n e p i c t u r e s . o p t i c k , 3 5 , 2 3 7 - 2 4 6 , ( 1 9 7 2 ) 2 . 2 7 f i e n u p j r . i t e r a t i v e m e t h o d a p p l i e d t o i m a g e r e c o n s t r u c t i o n a n d t o c o m p u t e r - g e n e r a t e d - h o l o g a m e s , o p t . e n g , 1 9 , 2 9 7 - 3 0 6 , ( 1 9 8 0 ) 2 . 2 8 s e l d o w i t z m a . s y n t h e s i s o f d i g i t a l h o l o g r a m b y d i r e c t b i n a r y s e a r c h , a p p l i e d o p t i c s , 2 6 ( 1 4 ) ， 2 7 8 8 - 2 7 9 8 , ( 1 9 8 0 ) 2 . 2 9 k i r k p a t r i c k s . o p t i m i z a t i o n b y s i m u l a t e d a n n e a l i n g . s c i e n c e , 2 2 0 , 6 7 1 - 6 8 0 ( 1 9 8 3 ) 2 . 3 0 h o l l a n d j h . g e n e t i c a l g o r i t h m . s c i e n t i f i c a m e r i c a n , 4 , 4 4 - 5 0 ( 1 9 9 2 ) 2 . 3 1 y a n g g z e t a l . o n t h e a m p l i t u d e - p h a s e r e t r i e v a l p r o b l e m i n t h e o p t i c a l s y s t e m . a c t a p h y s . s i n . ，3 0 , 4 1 0 ( 1 9 8 1 ) 2 . 3 2 陈益新等 集成光学理论和技术，上海交通大学出版社，( 1