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光束整形元件的位相编码及制作工艺研究 中文摘要 光束整形元件的位相编码及制作工艺研究 中文摘要 在激光技术应用的许多领域中，对激光光束的质量有着较高的要求。在光束整形 技术的器件中，二元光学元件由于其体积小、设计灵活、衍射效率高等优点，已经成 为该领域的一个研究热点，其中用于特定衍射图样的二元光学元件的位相编码及其位 相浮雕结构的制作，是二元光学元件用于光束整形技术比较突出的两个难点问题。 本论文以特定衍射图样的位相编码及其制作工艺为研究目的，旨在找到一种收敛 速率快且能收敛于全局最优解的位相优化算法；同时发展一种制作工艺简单、低成本 的二元光学元件制作方法。论文采用以相关衍射理论为基础，以计算机模拟分析为手 段，以实验验证为最终结果的综合研究方法。 论文讨论了利用迭代傅里叶算法对任意点阵的衍射图样进行位相编码的基本原 理，并针对该算法易过早陷入局部最优解的缺陷，研究了影响再现像品质的几个因素， 得到了一种具有较高收敛速率和收敛程度的经过修正的迭代傅里叶算法。 精缩投影物镜是并行激光直写系统的核心器件之一，其成像质量的好坏直接决定 了所制作器件的光学性能。本文利用光学设计软件z e m a x 为并行激光直写系统设计 了1 0 倍双远心精缩投影物镜，并对其光学性能进行了分析；同时也为方光点激光直 写系统设计了缩小倍率为2 0 的采用显微物镜的投影成像系统，为获得高质量的光束 整形器件提供了良好的硬件设备。 利用激光直写系统分别讨论了利用高斯光点光刻、方形光点光刻和逐面积光刻等 方法制作2 个台阶二元光学元件的基本原理和制作过程，给出了实验结果并利用 m a t l a b 软件对几种光刻方法所带来的实验误差进行了详细分析。 本文提出的低成本、高性能的二元光学元件的方法是设计、制作光束整形元件很有 效的方法，同时实验证明，具有方形光刻点的激光直写系统是一种重要的制作衍射光学 元件的工具，将为工艺简单、周期短、低成本的二元光学元件制作提供一种新选择。 关键词：光束整形：衍射光学元件；二元光学；投影物镜；激光直写； 作者：徐兵 指导教师：陈林森 英文摘要 光束整形，c 件的位相编码及制佧工艺研究 i n v e s t i g a t i o no f p h a s e e n c o d i n g a n df a b r i c a t i o n p r o c e s s i n g o fb e a m s h a p i n g e l e m e n t s a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fl a s e rb e a mi s v e r yi m p o r t a n tf o rm a n ya p p l i c a t i o n s ，s u c ha sb e a m s h a p i n g ，d i f f u s e r ，m i c r o l e n s e sa n dm o e m s a m o n g t h eb e a m s h a p i n gt e c h n o l o g i e s ，t h e b i n a r yo p t i c a le l e m e n ti so n et y p eo f t h ei m p o r t a n t c o m p o n e n t sf o rb e a m s h a p i n g ，d u et oi t s s m a l ls i z e ，h i g hd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y ，a n dm u l t i p l e f i m c t i o n s t h e r ea r em a n yr e s e a r c h a c t i v i t i e si n v o l v e di nt h ef a b r i c a t i o no fb e a m - s h a p i n ge l e m e n t s e s p e c i a l l y , b i n a r yo p t i c a l e l e m e n t su s e df o rb e a ms h a p i n gh a v eb e e ni n v e s t i g a t e do ni t s d e s i g n a n df a b r i c a t i o n p r o c e s s i n g t h ei t e r a t i v ef o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m ( i f t a ) h a sb e e nu s e dt od e s i g nt h ep h a s e s t r u c t u r e so ft h eb i n a r y o p t i c a l e l e m e n t sw i t h s p e c i f i c d i f f r a c t i o n p a t t e r n a n dt h e t e c h n o l o g i e sf o rf a b r i c a t i n gt h ep h a s e s t r u c t u r e sh a v eb e e nc o n c e m e di nt h ep a p e r t h ea i m o ft h ec u r r e n tw o r ki st of i n do u tak i n do fo p t i m a la l g o r i t h mo fp h a s ee n c o d i n ga n d d e v e l o pa m e t h o do ff a b r i c a t i o no fb i n a r yo p t i c a le l e m e n t sw i t hc o s t e f f e c t i v ea n ds i m p l e p r o c e s s i n gp r o c e d u r e s ， t h ed e s i g nm e t h o do fp h a s ee n c o d i n go fl a s e rb e a ms h a p i n ge l e m e n t sw i t ht w op h a s e l e v e l sh a sb e e ni n v e s t i g a t e dw i t hm o d i f i e di t e r a t i v ef o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m t h e b e a ms h a p i n ge l e m e n tw i mh i g h e rd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yc a nb eo b t a i n e db ys e l e c t i n gt h e i n i t i a l i z e dp h a s eo fb e a r ns h a p i n ge l e m e n ta n da d j u s t i n ga m p l i t u d ef r e e d o m ( a f ) a n dp h a s e f r e e d o m ( p f ) t h ei n f l u e n c e so f a fa n dp fv a l u e so nt h er e c o n s t r u c t e di m a g eq u a l i t ya r e d i s c u s s e da n da n a l y z e d t h ed e s i g np a r a m e t e r sw i l l b e h e l p f u l f o r g e t t i n g t h e h i g h d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo fl a s e rb e a ms h a p i n ge l e m e n t s p r o j e c t i o no p t i c a lo b j e c t i v e i so n eo ft h ek e ye l e m e n t si nt h ep a r a l l e ll a s e rd i r e c t w r i t i n gs y s t e m w e h a v eu s e dt h eo p t i c a ld e s i g ns o f t w a r ez e m a x t od e s i g nt h ep r o j e c t i o n o b j e c t i v ew i t hd o u b l et e l e c e n t r i cs t r u c t u r e ，w h o s er e d u c t i o nr a t i o i s10 ，a n da n a l y z e di t s o p t i c a lp e r f o r m a n c e s a t t h es a m e t i m e ，w eh a v ea l s od e s i g n e dp r o j e c t i o no p t i c a ls y s t e mb y 光束整形元件的位相编码及制作工艺研究中文摘要 u s i n gm i c r o s c o p i co b j e c t i v ew i t hr e d u c t i o nr a t i oo f 2 0f o rl a s e rd i r e c tw r i t i n gs y s t e mw i t h s q u a r es p o t t h i s l a s e rd i r e c t w r i t i n gs y s t e mw i t hs q u a r e s h a p e ds p o tm a yb e a sa n e x c e l l e n tt o o lf o ro b t a i n i n gt h eh i g hp e r f o r m a n c eb i n a r yo p t i c a le l e m e n t s i na d d i t i o n ，w eh a v ea l s od i s c u s s e dt h eb a s i cf a b r i c a t i o np r i n c i p l ea n dp r o c e d u r e so f b i n a r yo p t i c a le l e m e n t so f t w o p h a s el e v e l s w eh a v eu s e d t h r e em e t h o d st os h o o tt h ep h a s e s t r u c t u r e s o f b i n a r yo p t i c a l e l e m e n t s ：g a u s s i a n s p o tp h o t o l i t h o g r a p h i c m e t h o d ， s q u a r e s h a p e ds p o tp h o t o l i t h o g r a p h i cm e t h o d a n dt h ep r o j e c t i o np h o t o l i t h o g r a p h i cm e t h o d w i t hs l mo no u rl a s e rd i r e c tw r i t i n gs y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r eg i v e n t h e f a c t o r so fy i e l d i n gt h ee x p e r i m e n t a le r r o r sf o rt h ed i f f e r e n tp h o t o l i t h o g r a p h i cp r o c e d u r e s h a v eb e e na n a l y z e di n d e t a i lb a s e do no u rm a t l a bs o f t w a r e t h ep r e s e n t e dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g i e sw i l l b eu s e f u lf o rt h ed i f f r a c t i o no p t i c a le l e m e n t sw i t hl o wc o s t ，a n dh i g h o p t i c a lp e r f o r m a n c e a l s o ，t h eb e a m s h a p i n g e l e m e n t sw i t hh i g hd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yw i l l h ee a s i l ym a d ew i t hc o s t e f f e c t i v e ，s i m p l ep r o c e d u r e s ，b yu s i n gl a s e rd i r e c tw r i t i n gs y s t e m w i t h s q u a r e s h a p e ds p o t k e y w o r d s ：b e a m s h a p i n g ：d i f f r a c t i o no p t i c a le l e m e n t s , b i n a r yo p t i c a l e l e m e n t s p r o j e c t i o no b j e c t i v e ：l a s e r d i r e c tw r i t i n g 1 1 w r i t t e n b y ： s u p e r v i s e db y ： x u b i n g c h e nl i n s e n v 6 4 5 6 3 8 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位沦文是本人在导师的指导下独立进行研究t 作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。刘本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名：径盈日期：丝：篮丝 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密沧文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的伞部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：垒全亟日期：q 垒：堕：丝 导师签名 、i 羡日期：唑嗥、鱼 ! 塑墅丝! ! 壁塑些塑塑塑丝型堡一! ：苎竺壅 ：! ! 量 1 1 研究背景 一、引言 在激光技术的许多应用领域中，光束质量至关重要。激光材料加工，光学信息 处理、存储和记录，激光的医学临床应用，探测阵列激光雷达，用于惯性约束核聚变 ( i c f ) 的高功率激光辐射源，都对光束质量有较高的要求。激光光束质量不仅大大 影响激光器的整体性能，也大大影响激光技术的应用水平【l i 。 激光光束的空间整形技术就是在空间域分布上有效地控制光场的分布从而改变 光束质量的技术，以下简称为光束整形技术。从8 0 年代到现在，光束整形技术经过 2 0 多年的发展与实践，无论在基础理论研究方面，还是在计算机模拟、设计手段方面 都有了很大的进步，并且随着理论研究的进一步深入，设计手段进一步完善，将在各 种激光器如固体、液体、气体激光器中，在强光光学领域，在非线性光学频率变换领 域，在激光加工、临床医疗、信息存储、加工等领域中，有着更为广泛的应用l ”。 用于光束整形技术中的器件比较多，衍射光学元件由于其衍射效率高、体积小、 设计灵活、便于集成、易于复制等优点，成为当前光束整形技术领域中研究的一个热 点，表l 一1 给出了衍射光学元件的常见功能及其优点。衍射光学元件根据浮雕的结构和 形状可以分为两大类：连续浮雕型衍射光学元件和台阶型衍射光学元件( 又称为二元 光学元件) ，其中台阶型衍射光学元件根据台阶的数目又可以分为2 个台阶型二元光学 元件和多台阶型二元光学元件。由于2 个台阶型二元光学元件制作工艺简单、设计灵 活且已经广泛应用于各个领域，因此本课题所讨论的光束整形元件以2 个台阶的二元 光学元件为主。表1 2 给出了衍射光学元件在光束整形及其光束控制方面的些应用。 表1 1 衍射光学元件的常见功能及其优点 c o m p l e t eb e a ms h a p i n g a n dc o n t r o lc r e a t ea r b i t r a r yp h a s ef u n c t i o n s c o m p u t e r i z e dd e s i g n f a b r i c a t i o nh i g hn e g a t i v ed i s p e r s i o n c h r o m a t i ca b e r r a t i o nc o r r e c t i o nl o w c o s tm a s sr e p l i c a t i o n i n t e g r a t eo p t i c s m i c r o e l e c t r o n i c s m i n i a t u r i z ey o u rs y s t e m s u b a p e n u r ep h a s ef u n c t i o n s c a l ld i f f e rr e d u c eo p t i c a ls y s t e mw e i g h t a s p h c r i cw a v e f r o n tg e n e r a t i o n r e d u c e c o s t s l s i m p ! i f ys y s t e m s 光束整形元件的位相编码及制作工艺研究 表l - 2 衍射光学元付在光束整形及光束控制方面的应用 m i c r o - o p t i c sn t e g r a t e do p t i c s h a r t m a n ns e n s o r s m i c r o l e n sa r r a y sr o b o t i cg u i d a n c e。o c a lp l a n el e n s l e ta r r a y s m i c r o - - e l e c t r o o p t i c so p t i c a ls w i t c h e s l a s e rd i o d ea r r a y s b e a m s h a p i n go p t i e a lt e s t i n go p t h a l m i cl e n s e s c o l l i m a t e e x p a n db e a m a b e r r a t i o nc o r r e c t i o nb i f o c a lc o n t a c t s b e a m h o m o g e n i z e r q u l lc o i t e c t o r sl a s e r s c a l p e l m e d i c a li m a g i n g s h a p e dc u t t i n ga n dw e l d i n ge d g ed e t e c t i o n o p t i c a ld m as t o r a g e l a s e rm a c h i n i n g p a c k a g i n ga l i g n m e n t o p t i c a lp r o c e s s i n g l a s e rh o l ed r i l l i n gt e x t i l ea l i g n m e n t c u t t i n g h e a d s u pd i s p l a y sn i g h t v i s i o ng o g g l e ss u r f a c e p r o f i l i n g h e a dm o u n t e dd i s p l a y sr e c o n n a i s s a n c es y s t e m sc o n t o u rm a p p i n g a f t i m a g e ro p t i c s3 - dg o g g l e s m a c h i n ev i s i o n c i r c u i tb o a r di n s p e c t i o nf a l l o u tg r a t i n g sl a s e rp r i n t e r s d e p t hm e a s u r e m e n t s b e a m s p l i t t e r s c o l o r c o p i e r s m a n u f a c t u r i n gi n s p e c t i o n w a v e l e n g t hm u l t i p l e x i n g l a s e re n t e r t a i n m e n t p o l a r i z a t i o nc o m p o n e n t s q u a r t e r - w a v ep l a t e s l & s e rm a t e r i a lp r o c e s s i n g p o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r h a l f - w a v ep l a t e sp r o d u c tm a r k i n g l i n e a r p o l a r i z e r s r e t a r d e r s s c a n n i n gs y s t e m s s t a t i cf i l t e r s l a s e rm o d et u n e r s o p t i c a lc o m p u t i n g m a t c h e df i l t e r s t u n a b l ef i l t e r s l a s e re n dm i r r o r s c h i r p e dg r a t i n gc o u p l e r s n a r r o w b a n df i l t e r sm o d a n sl a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t r y c i r c l e s ，l i n e s ，e t c c o l o r s e p a r a t i o ng r a t i n g s h y b r i da c h r o m a t s l a s e rc r o s sh a i r s p r o j e c t i o ns y s t e m sa p o c h r o m a t i c d o u b l e t s g u n s i g h t s f i b e ro d t i cc o m m u n i c a t i o n s r e p l a c ea s p h e r i ce l e m e n t s l e n s e s f o u r i e rt r a n s f o n i l1 e n s i rs v s t e m s w i d e - f i e l di m a g i n ga n a m o r p h i c ( c y l i n d e r ) l e n s e s t h e r m a li m a g e r s a b e r r a t i o nc o r r e c t o r sf t h e ms c a nl e n s e s f r i e n d f o ei d e n t i f i c a t i o n a t h e r m a l i z eo p t i c a ls y s t e m s o p t i c a li n t e r c o n n e c t s a n t i r e t i e a t i o ns 仃u c t u r e s 将二元光学元件用于光束整形的实质是已知输入光场和输出光场，求解二元光学 元件的位相分布问题。关于二元光学元件的位相优化设计，已经存在多种优化算法， 能否找到种在最短时间内收敛于全局最优解的优化算法，已经引起了众多设计者的 兴趣。另外，二元光学元件的制作方法很多，能否找到一种制作工艺简单、制作周期 2 光束整形儿悄的位相编码及制作工艺研究一、引占 短、加工成本低，且所制作的二元光学元件具有较高的衍射效率和光学性能，已经成 为当前国内外研究的一个焦点。 1 2 国内外研究现状 二元光学元件属于纯位相型衍射光学元件，关于其位相编码方法目前国内外已 经发展了很多种优化算法。在国内，早在8 0 年代初，中国科学院物理研究所杨国桢 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1 2 】， 并且成功用于解决多种实际问题和变换系统中。1 9 9 4 年华中理工大学激光技术国家重 点实验室罗风光等人采用模拟退火回火一广义简约梯度法( s a t - g r g ) 优化设计出6 5 6 5 点阵的d a m m a n n 光栅，并在实验室中成功地制作出目前国内最大点阵的6 5 6 5 d a m r n a n n 光栅分柬器件【3 1 。1 9 9 5 年中国科学技术大学姬扬等人采用模拟退火法( s a ) 和输入。输出法( i o ) 相结合的算法( s a l 0 ) 设计了8 台阶的衍射光学元件，将椭圆高斯 分布的激光束变换到均匀圆光束，转换到圆均匀区的能量效率达到了9 1 9 ，输出波 形边缘陡直，平顶区内的光强起伏很小【”。1 9 9 8 年浙江大学现代光学仪器国家重点实 验室杨李茗等人利用模拟退火法对任意点阵衍射图形的纯位相衍射元件进行了优化 设计，针对收敛性和收敛速率对算法进行了适当修正，取得了令人满意的计算结果垆1 。 1 9 9 9 年清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室谭峭峰等人利用基于模拟退火 和爬山法相结合的混合优化算法。通过灰阶掩膜版及离子刻蚀工艺，实现了光束变换 的连续位相衍射光学器件的设计”1 。2 0 0 1 年哈尔滨工业大学光电子技术研究所鲁建业 等人采用混合遗传模拟退火算法直接设计二元衍射光学元件，并分别以高斯基模光 束整形为平顶光束和高斯基模光束分裂成等强度的两束高斯基模光束为例进行了模 拟计算，结果表明在位相台阶数较低的情况下此方法精度也比较高1 7 j 。 关于二元光学元件位相编码的优化算法，国外也提出了许多优化算法，如盖师贝 格撒克斯n ( g e r c h b e r g s a x t o n ) 剿i ( g s ) 嗍、误差减法及其修正算法【9 】、直接二元搜索 法( d b s 也称爬上法) 【1 0 】、模拟退火算法( s a ) 和遗传算法( g a ) 1 1 3 1 等。其中模拟退 火算法和遗传算法由于其独特的寻优特性，已被广泛应用到诸多领域。目前，国外的 m e n s o p t i e a l h e p t a g o n 等公司，已经能够设计制作m i c r o l e n sa r r a y s ，b e a ms h a p e r s ， b e a m u n i f o r m e r d i f f u s e r s c o l l i m a t e df i b e ra r r a y s 等衍射器件。 光束整彤元件的位相编码敷制作工艺研究 图1 1 光束雅形器( b e a ms h a p e ro f m e n s o p t i e a l ) 二元光学元件的制作方法很多，按照掩膜版及加工表面浮雕结构的特点主要可分 为三种”4 】：标准的二元光学元件制作方法，由二元掩膜版经多次图形转印、套刻形成 台阶式浮雕表面；直写法( 包括激光直写和电子束直写) ，无需掩膜版，仅通过改变 曝光强度直接在器件表面形成连续浮雕轮廓：变灰度掩膜版法，所用掩膜版透过率分 布是多层次的，经一次图形转印即形成连续或台阶表面结构。 标准的二元光学元件制作方法是发展最早、最成熟，也是当前最常用的一种方法， 它利用标准的大规模集成电路生产工艺，通过光刻技术将具有黑白图案的掩膜板图形 转印到涂在基片表面的光刻胶上，再经过刻蚀技术将光刻胶表面图形转印到基底上， 在基底表面形成台阶结构。多次重复上述工艺过程，就可制成多台阶表面浮雕相位型 光学器件。刻蚀的台阶数目z 和掩膜版的数量n 满足表达式( 1 1 ) 。台阶式二元光学元 件的制作需要多次重复掩膜图形转印和刻蚀过程。加工环节多、制作周期长、且二元 掩膜版对准精度难以控制。 z = 2 ” 直写法是一种新兴的二元光学元件制作方法，主要包括激光束直写和电子束直写 两种技术，由于其具有制造连续表面结构的功能，格外引人注目。激光束直写简称激 光直写，是根据元件表面的设计结构和抗蚀材料的显影特性计算表面各点所需的曝光 量分布。并将该数据存入计算机；然后对基片上的抗蚀剂进行扫描式逐点曝光，显影 后在其表面形成连续变化的浮雕结构，恰当地选择实验参数即可得到与理想结构十分 接近的浮雕结构：对其进一步刻蚀还可以将抗蚀剂表面的结构转移到基底上。电子束 直写原j 翌( e b l ) 与激光直写相同，基于电子束在抗蚀层表面曝光剂量与显影后抗蚀层 垄塞些兰兰! 堕垡塑塑塑墨型堡三苎塑塞 ：! l量 高度的线性关系，将光学元件轮廓分布用曝光剂量的大小表示出来，再用该剂量的电 子束对基片逐点曝光，显影后得到设计的连续表面轮廓。激光直写和电子束直写的最 大优点是器件定位后可一次写出多相位台阶或连续相位的二元光学器件结构，而避免 每次掩膜套刻后要进行一次刻蚀，再进行精确复位，这样套刻次数越多越易丧失共轴 精度。 直写技术最大的问题是不能精确的控制轮廓的深度，加工轮廓深度与曝光强度、 扫描的速度、抗蚀剂材料、显影液配方和温度状态以及显影时间等多种因素有关，任 何一个因素的改变都会引起轮廓深度误差。目前只能依赖于操作人员的经验和恒定的 工作条件。总之，直写法较适用于高精度单件生产。当然，采用l i g a 技术，在获得 模版后，很容易获得大量的重复复制。 变灰度掩膜版法是目前正在探索的一种方法，该技术可以制作多种不同形状的浮 雕结构，使所制作的衍射元件的光学性能达到最优。传统的二元光学元件是利用台阶 来逼近理想的表面形状，而变灰度掩膜技术实际上可以制造理想的表面形状，譬如 c u r v e s ，r a m p s 及其它任意可能的一些浮雕形状。在国外，最早由美国乔治亚理工学院 f g e o r g i a t e c h ) 利用图片艺术中的做幻灯片技术制作灰度掩膜版，他们利用桌面排版系 统和m a t h e m a t i c a 、f r e e h a n d 等软件将设计的次度连续变化或台阶式变化的掩 膜图形生成数据文件，然后制成幻灯片，再经过一定倍数的精缩转印到黑白胶片中形 成变灰度掩膜版，变灰度掩膜图形再经图形转印技术，就在基片的抗蚀材料上形成多 台阶或连续变化的浮雕轮廓。该方法一次成形、价格低廉、制作简单且消除了多台阶 套刻过程中掩膜版的对准误差等问题，是当前研究最活跃也是最有前途的二元光学器 件制作方法。 在国内，国防科大的颜树华老师研究了利用基于液晶空间光调制器的并行激光直 写系统并在银盐材料上制造了多台阶二元光学元件灰度掩膜版 1 5 1 o 变灰度掩膜技术最关键的是变灰度掩膜版的制作，由于目前使用高分辨率的打印 机将计算机生成的掩膜数据制成幻灯片，因此器件的相位轮廓台阶数受到打印机彩色 等级和分辨率的限制，使制作的器件精度和性能受到很大的限制。另外，曝光量以及 显影时间也都是该种方法影响制作误差的主要因素。表l - 3 对以上三种二元光学元件 制作方法的优缺点进行了比较。 t 扎若 光束整彤7 二件的位相编码搜制作工艺彬l 究 表l 一3 二元光学元件常见制作方法的优缺点 制作方法优点缺点 制作周期长 二元光学元件法适用于大批量生产 多次套刻存在对准误差 直 激光束离写 无需掩膜版 曝光精度要求高 设备价格昂贵 摆 电子束直写 不存在对准误差 使用丁i 单间生产 变灰度一次光刻成形掩膜制作比较困难 掩膜法不存在对准误差掩膜的特征分辨率不高 近年来，美国的a r i z o n a 大学研究了一种对紫外光敏感的负性混合溶胶一凝胶 ( h y b r i ds o l g e l ) 材料，在紫外光的照射下利用灰度掩膜版在该种材料上一次曝光制作多 台阶衍射光学元件，整个制作过程如图1 - 2 ( a ) 所示。该方法允许利用可见光在混合溶 胶凝胶上曝光制作多台阶型二元光学元件，在发展低成本制作复杂多台阶微光学元 件方面具有极大的潜力。同时新加坡南洋大学研究了如图1 3 ( b ) 所示利用声光调制器 来控制紫外光的曝光光强，采用激光直写的方法在负性混合溶胶凝胶材料上制作具 有连续浮雕结构的微光学元件【1 6 】。 i i ve x l 3 0 s 1 1 l ：e g r a y - - s c a l em a s k s o l 一言e 1f i l m m u i t i l e v e l s t r u c t u r e 槲射1 i r 匕! ， e 兰当 ( a ) ( b ) 图i - 2 利用灰度掩膜在负性混合溶胶一凝胶材科上制作多台阶衍射光学元件 变剂量 曝光 显影 另外，美国c a l i f o r n i a 大学的w a l t e rd a s c h n e r 等人研究了在高能敏感玻璃上制作 灰度掩膜版从而来制作具有连续浮雕结构的微光学元件【1 8 l ，整个工艺过程如图 1 - 3 ( a ) ( b ) ( c ) 所示：首先利用电子束在高能敏感玻璃上曝光，得到灰度值分布不同的灰 阶掩膜版：其次利用在高能敏感玻璃上得到的灰度掩膜版，来对紫外光敏感的光敏材 料进行曝光，经过显影后在光敏介质上得到三维浮雕结构：展后采用等离子刻蚀，将 光敏介质上的浮雕结构转移到基片上。 6 兰苎型堕竺塑! ! 堕塑塑型墨塑堡三苎型窒 二：! ! 壹 ( a ) ( b )( c ) 图i - 3 利i l j 高能敏感玻璃做灰度掩膜制造具有连续浮雕结构的微光学元件 2 0 0 3 年，m e n s o p t i c a l 采用他们的专利技术( g r a y s c a l et e c h n o l o g y ) 已经制作了微光 学衍射器件，图1 - 4 给出了m e n s o p t i c a l 公司利用变灰度掩膜技术制作的一些衍射光 学元件。 图l - 4 利用灰度掩膜技术制作的衍射光学元件( m e m s o p t i c a ) a n v i k 公司生产了一种如图l - 5 所示，采用准分子激光( e x c i m e r ) 为光源的激光光刻 系统 1 9 】，其利用深紫外激光( 2 4 8 n r n ) 的高能量直接透过掩膜进行激光减薄( 1 a s e r a b l a t i o n ) ，该系统的优点是大视场、高分辨率、高生产效率并且减少了重复光刻的步骤。 阁1 - 5a n v i k 公司的人视场、高分辨率、高生产率的投影光刻系统简图 上述给出了目前国内外，衍射光学元件制作工艺的最新发展状况。从上可以看出， 研制低成本、高效率衍射光学元件的硬件设备及其制造工艺，是目前该领域的一种发 展趋势，本课题的研究j 下是基于这样的一个历史背景和发展现状。 一、引言 光束整彤兀件的位相编码发制作t 艺研究 1 ，3 论文的研究内容与结构 本文讨论了利用迭代傅里叶算法对任意点阵衍射图样的纯位相衍射元件进行优 化设计的基本原理，并针对该算法易陷入局部最优解的缺陷，详细分析了利用迭代傅 罩叶算法进行二元光学元件位相编码设计时影响再现像品质的几个重要因素，通过改 变初始位相的选取和引入强度自由度及位相自由度，很好的克服了该算法存在的不 足，从而提出了一种经过修正的迭代傅里叶算法，为找到一种具有较快收敛速率和较 高收敛程度的位相编码方法提供了一种可能。 用于光束整形的二元光学元件的相位结构分布比较复杂、没有周期性，采用传 统的多台阶相位结构的制造工艺来制作此位相版，不仅二元掩膜版制造比较复杂， 而且利用多套二元掩膜版进行多台阶对准套刻时，也存在着较大的对准误差和刻蚀 深度误差。 利用激光直写的方法来制作该位相板，理论上只要精确控制曝光强度和曝光步 距，掌握好合理的显影时间，就可以在光刻胶上得到连续的三维浮雕结构。本文在单 光束激光直写的基础上，通过改进光刻系统中的光学系统，采用双远心投影成像光路， 得到了具有可变方点形状的光刻系统，实现了2 个台阶二元光学元件的光刻。与传统 激光直写系统的离斯光点相比，采用方形光点进行光刻更有利于改善二元光学元件的 光刻填充因子，提高光刻的边缘陡峭度。 对于较大面积的衍射元件，利用激光直写系统进行逐点曝光扫描，制作的周期比 较长。因此，在现有的硬件基础上本文提出了一种利用液晶一空间光调制器( l c d s l m ) 的灰度掩膜并行激光直写系统进行整个图形一次光刻成形的方法。考虑n - - 元光学元 件相位结构的精细尺寸，要求并行激光直写系统中精缩投影物镜的像方分辨率应小于 5 u m 。采用双远心光学结构形式，利用光学设计软件z e m a x ，在分析了原4 f 成像系 统像差的基础上，设计了1 0 倍精缩投影物镜，使该投影光刻物镜的各种单色像差均 位于像差容限内。通过实验，探索了利用并行激光直写系统制作用于光束整形技术的 二元光学元件位相结构的制造工艺，分析了制作中的工艺误差影响，从而为用于该领 域的二元光学元件的制造提供一种新的方法。 本论文的结构体系为：第一章讨论了该课题的研究背景、意义及国内外在该领域 所开展的一些工作，从而指明了课题需要完成的工作和将要解决的一些问题；第二章 8 光束整形元件的位相编码及制作工艺 i j f 究 一，引； 阐述了光束整形元件设计的基本原理及其常用的一些数学模型( 夫琅禾费衍射光学系 统和菲涅耳衍射光学系统) ，并讨论了二元光学元件衍射效率的分布规律；第三章分 析了迭代傅里叶算法用于光束整形元件设计的基本原理，详细讨论了该算法用于光束 整形元件设计时影响再现像品质的几个因素，从而提出了一种经过修正的迭代傅里叶 算法：第四章分析了并行激光直写系统的基本工作原理，在分析现有4 f 成像系统像 差的基础上，利用光学设计软件z e m a x 设计了1 0 倍精缩投影物镜，并给出了相应 的实验结果：另外为了克服高斯光点光刻所带来的实验误差，并尽可能的提高所制作 光学器件的光学性能，利用物像共轭距为无穷远、数值孑i j 径为o 4 0 的显微物镜与焦距 为1 0 9 6 r r m l 的管镜组成了放大倍率为2 0 的双远心投影光路，以可变方形光阑为物面， 从而实现了最小分辨率为5um 的方光点光刻，该方法不仅提高了所制作器件的填充 因子，而且也提高了单元位相浮雕结构的边缘陡峭度，使所制作的器件具有更优的光 学性能：第五章讨论了如何利用激光直写系统来制作第三章优化得到的位相结构，分 析了制作的基本原理及制作工艺过程，并对实验结果进行了详细的分析讨论；第六章 对前面几章的实验结论给予了认真细致的总结，指明了当前存在的一些问题以及今后 该课题的研究方向和继续需要完成的工作。 1 4 论文的创新点与特色 ( 1 ) 详细分析了修正的i f t a 用于二元光束整形元件的优化评价 讨论了利用迭代傅里叶算法进行光束整形元件设计的基本原理及其实验模拟结 果，并详细分析了该算法用于光束整形元件设计时，影响再现像品质的几个因素，得 出了采用将目标衍射图样做逆傅里叶变换后的位相分布作为该算法的初始位相，通过 引入强度自由度和位相自由度，可以克服迭代傅里叶算法易陷入局部最优解的缺陷， 从而提出了一种经过修正的迭代傅里叶算法，为找到一种收敛速率快且能全局收敛的 位相优化算法提供了一种可能。 ( 2 ) 提出了方光点激光直写系统用于二元光束整形元件的制作 为了克服利用高斯光点逐点光刻制作2 个台阶位相结构的不足，提出了利用具有 方光点激光直写系统逐点光刻制作二元光束整形元件。实验结果表明，利用该方法所 制做的器件其衍射效率可以达到6 2 ，几乎是利用高斯光点光刻所制做器件衍射效率 0 l苦 光束整形兀件的位相编码及制作t 艺研究 的2 倍。该方法不仅系统结构简单、成本低，而且所制做的器件具有较高的衍射效率， 从而为高性能二元光学元件的制作提供了一种新型的方法。 ( 3 ) 设计了双远心投影成像光路并分析其光学特性 利用方光点逐点光刻制作2 个台阶的位相结构，虽然所制做的元件具有较高的衍 射效率，但是逐点光刻制作周期比较长，使得该系统的生产效率比较低。为了