现代光学前沿新兴分支学科

2020 4 5 现代光学前沿新兴分支学科 二元光学技术与应用 徐平深圳大学光电子技术工程系E mail xuping Tel 6557246 2020 4 5 主要内容 1 二元光学概述 含义发展背景 国内外发展状况 特点 2 二元光学元件的设计方法3 二元光学元件的制作方法4 二元光学元件的应用 重点介绍 5 深蚀刻二元光学元件6 结束语 2020 4 5 1 二元光学概述 传统光学基于光波的折射和反射原理 利用透镜 反射镜和棱镜等元件进行设计和实现各种光学功能 衍射效应总是导致光学系统的分辨率受到限制 除了光波的色散性质可应用于光谱学之外 传统光学总是尽量的避免衍射效应造成的不利影响 2020 4 5 1 二元光学概述 六十年代 随着计算机制全息图以及相息图的发明和成功的制作 引起了观念上的重大变革 人们认识到应用这些新型的衍射光学元件 可方便灵活的控制光路以实现多种光学功能 开辟光学系统设计的新天地 2020 4 5 1 二元光学概述 七十年代 在可见光和近红外光波段内制作具有高衍效的超精细结构元件仍面临困难 因而限制了这些元件的应用范围 与此同时 微电子工业在制作技术方面也经历了一场革命 光学和电子束制版以及干刻蚀技术逐渐发展成熟 已成为制作精细结构元件的完善工具 2020 4 5 1 二元光学概述 八十年代 各种新型的加工制作方法不断涌现 能够制作高质量和多功能的衍射光学元件 随着元件尺寸的缩小 其精细结构周期可与波长相比较时 传统的衍射标量理论不再适用 促使了衍射矢量理论的发展 极大地推动了衍射光学的发展 2020 4 5 1 二元光学概述 近年来 更高级的设备先进的制作技术正确有效的理论模型设计衍射光学元件的各种方法由此一门新兴的光学分支 衍射光学应运而生 并已成为二十一世纪光学中的前沿研究领域之一 2020 4 5 1 二元光学概述 1984年 在美国国防部及空军的支持下 启动了一个名叫 二元光学 binaryoptics 的项目 极大地推动了衍射光学的发展 此后 衍射光学的研究日益活跃 2020 4 5 1 二元光学概述 从1990年起 美国光学学会年会和国际光学工程协会设有衍射光学与二元光学专题讲座和衍射光学专题会议 美国和欧洲的重要光学杂志分别出版衍射光学专集 作为一个新学科领域已经形成 2020 4 5 1 二元光学概述 1992年5月美国商业性杂志 Photonics 刊登一篇专题文章 衍射光学大量产生新一代的产品和拥有数百万美元的市场 表明 衍射光学产业正在形成 2020 4 5 1 二元光学概述 二元光学 是衍射光学的主要分支学科 是研究微米 亚微米级特征尺寸光学元件的设计 微细加工技术及利用该元件以实现光束的发射 聚焦 传输 成象 分光 图象处理 光计算等一系列功能的理论和技术的学科 是光学与微电子 微计算机相互融合 渗透而形成的前沿交叉学科 2020 4 5 1 二元光学概述 二元光学技术是利用计算全息方法与大规模集成电路技术和微细加工技术相结合 从而在任意片基材料上制作出位相深度为的多台阶微浮雕结构的衍射微光学元件 是一门新兴的前沿交叉综合学科和高技术 2020 4 5 1 二元光学概述 二元光学元件特点以光的衍射为基本原理 具有微型化 轻型化 可复制 价格低 可设计产生任意形状的波前 可把多种功能集中于一个器件上等其他器件不可比拟的特点 发展迅猛 成为二十一世纪的前沿学科 2020 4 5 2 二元光学元件的设计方法 二元光学元件示意图 2020 4 5 2 二元光学元件的设计方法 2020 4 5 2 二元光学元件的设计方法 2020 4 5 2 二元光学元件的设计方法 2020 4 5 2 二元光学元件的设计方法 二元光学元件的设计步骤 1 编码过程将原先振幅分布中所携带的信息 尽可能多的编码到相位分布中去 在这个过程中将会引进编码噪声 2 量化处理对连续分布的相位进行分级量化处理 此时又会引起位相量化噪声 主要有 G S算法 Y G算法及SA SimulationAnnealing 算法 2020 4 5 3 二元光学元件的制作方法 2020 4 5 3 二元光学元件的制作方法 2020 4 5 4 二元光学元件的应用 衍射光学元件以其能够灵活的变换波前 集多种功能于一体和可复制等优良特性 促使光学系统和器件走向轻型化 微型化和集成化 这种新型的光学元件的应用极为广泛 2020 4 5 4 二元光学元件的应用 微小光学系统中的微型元件光学及神经网络计算 光学平行处理系统中的光互连元件宽场及红外成象系统中的元件光学滤波和材料加工系统中的衍射元件抗反射和偏振态控制的亚波长光栅结构光束整型 光束列阵发生器 微型光通信 2020 4 5 4 二元光学元件的应用 外科医疗仪器中的双聚焦内窥透镜光盘读出头的NEC衍射元件能矫正色差畸变的Redimax热聚焦透镜用于材料加工的高效能系列长寿命的CO2聚焦透镜 2020 4 5 4 1光束整形与匀化 CO2激光在材料加工中的用途之一 是用于材料的表面热处理 为了使材料表面各点升温均匀 需要一种光束整形元件 将高斯型强度分布的激光束转换成平台型强度分布 传统的折射光学元件唯一有效途径是 制作特殊的折射元件 其表面是由对光束起不同响应作用的许多子区域组成 这样的元件既复杂又不切合实际 2020 4 5 4 1光束整形与匀化 应用二元光学方法 单个的衍射光学元件便能够同时实现对入射高斯激光束的相位调制 强度变换和聚焦 利用这种衍射型光束整形器处理后的CO2激光光束 可以进行高效而均匀的表面热处理 2020 4 5 4 1光束整形与匀化 高斯光束转化为平台光束示意图 见下页 2020 4 5 4 1光束整形与匀化 2020 4 5 4 2像差较正 He Ne激光聚焦校正器 医疗仪器中长期悬而未决的难题 如何将CO2 刀光束 与指示照明用的He Ne激光束聚焦到同一平面上 通常使用的ZnSe 硒化锌 透镜在He Ne激光器输出波长比在CO2激光器输出波长上更高的折射率 使得He Ne激光照明光束聚焦位置更靠近透镜而远离CO2激光照明光束聚焦点 所有现存的传统光学的解决办法 也都会带来新的问题 2020 4 5 4 2像差较正 He Ne激光聚焦校正器 2020 4 5 4 2像差较正 He Ne激光聚焦校正器 衍射光学技术提供了直接巧妙的解决办法 在聚焦透镜表面刻蚀出起负透镜作用的衍射沟槽 使得He Ne可见光束聚焦点拉远而对长波段的CO2红外激光束不起作用 从而使CO2 刀光束 和He Ne 照明光束 很好的聚焦于同一点 2020 4 5 4 2像差较正 He Ne激光聚焦校正器 2020 4 5 4 2像差较正 白内障病人眼球晶状体替代元件 3M公司的工作人员已对患白内障病人设计了替换眼球晶状体的元件 但此种手术通常使用的是普通透镜 它们只能使病人看见较近或较远的物体 2020 4 5 4 2像差较正 白内障病人眼球晶状体替代元件 为解决这个问题 3M公司传感器物理学家J Futhey等在普通透镜表面刻蚀二元光学元件 当光入射人眼时 二元光学元件约把一半光线聚焦到视网膜表面 另一半聚焦到视网膜内 眼睛和大脑能把注意力集中在某个焦点而忽视另一个焦点 从而提供远近图象 用这种方法 二元光学透镜现已植入50多个国家的几千名病人的眼中 2020 4 5 4 2像差较正 折衍混合消色差 利用折射和衍射正好相反的色散特点 将二元光学技术用在折衍混合系统设计中 消除系统色差 如下图所示 2020 4 5 4 2像差较正 折衍混合消色差 2020 4 5 4 3消反射与导膜共振滤波 消反射的衍射元件 为了抑制光学表面的菲涅尔反射 通常采用镀膜方法 即在光学表面镀一层具有梯度射射率的薄膜 使得两种介质界面的光学性质近似的连续变化 从而获得极低的反射率 由于镀膜中常用的化学萃取和共蒸发方法都要用到各向异性材料 因而不可避免的带来热学和力学性能不均匀等问题 使得高质量镀膜难以成功的制作 2020 4 5 4 3消反射与导膜共振滤波 消反射的衍射元件 二元光学解决途径 在衍射光学元件表面刻蚀高空间频率的连续位相光栅结构 由于光栅的空间周期极小 使得只有零级衍射光在入射介质和衬底中传播 如同处于折射率呈梯度分布的有效介质中一样 从而达到消反射的功效 通过合理的匹配光栅周期 选择入射光波长等参数来设计消反射结构元件 可以获得在宽波段和广角度范围内极低的反射率 从而有效地抑制光学表面的菲涅尔反射 2020 4 5 4 3消反射与导膜共振滤波 导膜共振滤波器 平面电介质波导光栅具有导膜共振特性 已在光电开关 光折变可调谐滤波器 窄线宽偏振激光等方面获得实际的应用 任意控制并压窄线宽的不变或可调谐的光谱滤波器高效的低能开关转换元件集成光学中窄波段光谱选择反射镜体光学系统中激光线宽压窄高精度传感器 2020 4 5 4 4光互连 光学互连元件是将一束激光分裂成一维或二维光束列阵的衍射光学元件 选择不同的元件参数即互连程度 与激光源相连的探测器数目 和劈裂比 各劈裂开光束之间的相对能量比 可设计出不同功能的光互连元件 通常有形成均匀强度分布的光互连元件 例如 多光束发生器 多光束照明器 和形成非均匀强度分布的光互连元件 例如 高斯扇形展开分束器 2020 4 5 4 4光互连 目前光互连元件已广泛的应用于光学计算和平行处理 集成光学 光电开关网络 以及机器人视觉等领域中 2020 4 5 4 4光互连 近年来 随着 信息高速公路 和数字光学计算机不断的发展 自由空间光互连引起人们极大的兴趣 PS PerfectShuffle 变换作为光互连的基本变换网络 可以实现任意变换 因此 具有重要意义 2020 4 5 4 4光互连 国内外学者提出多种不同实现PS变换的方法 比如 透镜棱镜法 衍射光栅法及全息光学元件法等 然而 实现这些方法不同程度的存在许多困难 我们提出用计算机制微闪耀光栅列阵实现PS变换网络的新方法 具有如下特点 2020 4 5 4 4光互连 只用一个列阵元件 不需要空间滤波或复杂的光学装置来实现信号的分割 交错与倒序 信号空占比可任意调整 能量利用率极高 变换距离短 输出象是正立的 极易实现元件微型化和多级互连 2020 4 5 4 4光互连 2020 4 5 4 5灵巧扫描 2020 4 5 4 5灵巧扫描 2020 4 5 4 5灵巧扫描 由一对正负微透镜列阵以共焦形式组合 当其中之一作横向移动时 可对透过它们的激光束形成灵巧扫描 灵巧扫描器的参数可选择如下 微透镜直径为200m 焦距为990m 相位等级数为8 衍射效率95 每个列阵包含约60000个微透镜 扫描视场角为11 5o 扫描速率为35Hz 2020 4 5 4 6激光光盘读出头 随着激光技术 精密机械技术和电子技术的发展 光 机 电三者相结合的产品已成为当前高科技产业中最重要的产品之一 其中 激光扫描技术和信息存储光盘技术的发展十分迅速 早在1989年 激光条形码扫描器 激光打印机 激光唱机的销售量分别已达二十万台 一百万台和一千万台 最近几年 它们的销售量在成倍的增长 2020 4 5 4 6激光光盘读出头 二元光学元件作为这些器件中的核心元件 扫描光学元件和读出光学头 具有大数值孔径 重量轻 并可偏振方向选择的特性 具有广阔的应用前景 2020 4 5 4 7二元光学光纤列阵连接器 大多数光纤连接器都是端面对接式 例如ST 直插 型 BC 双锥 型 PC 物理接触 型 FC 面接触 型 SC 直联 型以及SMA 通用标准 型等 我们提出一种二元光学微透镜列阵光纤连接器 2020 4 5 4 7二元光学光纤列阵连接器 由于透镜之间的光束束宽远大于对接式连接光纤之间光束束宽 大大降低了连接器对接过程中对横向偏移的敏感程度 由于透镜端面面积远大于光纤纤芯面积 使得通光表面污染的影响大为降低 可以采用在透镜间注入折射率匹配液或者在透镜另一表面刻蚀高频光栅等多种减反措施 有效消除菲涅尔反射 2020 4 5 4 7二元光学光纤列阵连接器 采用二元光学设计可以有效消除象差从而避免带来附加损耗 可以采用模压技术以便于满足大规模生产要求 可以大大降低成本 2020 4 5 4 7二元光学光纤列阵连接器 2020 4 5 4 8多头激光划片机 利用二维Dammann光栅形成上百条平行光束 经过反射 折射及微透镜聚焦后 形成多头激光束 对移动的工件进行划片操作 例如 用于太阳电池的划片切割 具有划片速度快 切割损耗小 使用效率高的优点 下图为多头激光划片机原理图 2020 4 5 4 8多头激光划片机 2020 4 5 4 9半导体激光列阵合成器 2020 4 5 4 10其它应用 莱福枪上的夜视仪 具有可宽带使用 大数值口径 携带方便 低成本和大量复制等特点 2020 4 5 4 10其它应用 飞行员头上的平视显示仪 具有重量轻 光能损失小 单色显示且显示清晰等优点 2020 4 5 4 10其它应用 Damman光栅分束器 其光束利用率极高 各光束强度均匀性好 2020 4 5 4 10其它应用 还可用于集成平面微光学系统中 灵活的控制光线传输的过程 2020 4 5 4 10其它应用 在惯性约束核聚变高功率激光系统中 用随机位相板来实现光束平滑处理 2020 4 5 5 深蚀刻二元光学元件 二元光学形成时间之短 发展速度之快 应用领域之广 都是人们始料未及的 因此 二元光学在元件设计 制作技术 误差控制 质量检测等方面都有许多课题需要研究解决 2020 4 5 5 深蚀刻二元光学元件 为此 我们在目前二元光学技术的基础上 发展一种新颖的 蚀刻位相深度超过 具有高深宽比 aspect ratio 的深蚀刻二元光学技术 深蚀刻二元光学技术拓展了二元光学更加广阔的应用领域 尤其在设计制作微小高能量密度元件方面有特殊用途 2020 4 5 5 1深蚀刻二元光学元件特性 探索性的系统研究了深蚀刻二元光学元件的衍射特性 提出了深蚀刻二元光学元件具有焦距缩短效应 高相对孔径 高能量密度 高深宽比的特性 2020 4 5 5 1深蚀刻二元光学元件特性 2020 4 5 5 1深蚀刻二元光学元件特性 2020 4 5 5 2深蚀刻二元光学元件制作误差分析 提出了4阶二元光学元件衍射效率与制