微光学器件总结.docx

大作业丁武文 2008010646 精85折射微光学元件：1.折射微透镜：椭圆微透镜的制备及在半导体激光器（LD）光束整形中的应用1基础：LD发射光束具有以下两个特点：（2）x与y方向上的光束发散角不同；（2）光斑是椭圆形的。传统的耦合技术是将LD基片与光纤端面直接相连, 称为平接连接法。由于LD和光纤之间数值孔径的巨大差异，平接连接的耦合效率只能达到10%。目前已有几种提高LD和光纤之间耦合效率的方法，这些方法可分为两类。第一类是将光纤一端做成半球形或圆锥形，相当于一个透镜。LD和透镜话光纤的耦合效率是2.5dB6.4dB。另一类是利用梯度折射率光纤，光纤中不同部位的折射率不同，使得光纤像一个自聚焦透镜。使用这种方法的耦合效率大约是0.84 dB3dB，工作距离低于4 500 m。这里提到的方法是用椭圆微透镜耦合的方案。利用椭圆微透镜具有双焦距的特性，同时对LD光束进行准直、整形，使发散光束成为适合光纤传输的圆光束，提高了耦合效率。微透镜的设计及制备：按需滴定法成形是使用脉冲式点胶机将PMMA溶液按照所需体积滴在玻璃基板上，溶液是光学级纯度的PMMA溶于MMA单体所得的混合预聚溶液，实验装置如图1 所示。在实验前对作为基板的石英玻璃板进行预处理: 先将石英基板放在超声波清洗器中用蒸馏水清洗10 min，晾干后再用分析纯的无水乙醇在超声波清洗器中清洗10 min。将清洗干净的石英基板放在含氮气氛的真空干燥箱中烘干使基板对水的接触角为10，对PMMA溶液基本不浸润。然后在基板上用MMA溶液按所设计的透镜大小做一些椭圆形的区域，该区域对PMMA溶液完全浸润( 如图2所示) 。我们将溶液滴在这些椭圆形区域上，液滴在表面张力的作用下形成椭圆形的微透镜。在滴定完成后，样品应立即放入一个小密闭容器中以减小MMA单体的挥发和透镜的收缩率。然后放入烘箱，升温至100 ，这时PMMA和MMA单体快速聚合，等聚合完全后将炉温升到180 ，透镜处于熔融状态，但又具有很高的粘度，能够保持住形状，在表面张力的作用下微透镜表面还可进行自修复形成椭圆形微透镜。所得椭圆透镜的相关参数之间的关系公式为其中fi为椭圆透镜焦距，包括X方向fx和Y方向fy; Ri为椭圆透镜曲率半径，包括X方向Rx和Y方向Ry;；Di为椭圆透镜直径，包括X方向Dx和Y方向Dy；F#i为椭圆透镜数值孔径，包括X方向F#x和Y方向F#y;；h为椭圆透镜矢高；n为材料折射率。对于按需滴定法，当针头型号、气泵压力、脉冲时间决定之后，每次滴下的液滴的量也就固定。另外，在其他条件不改变的情况下，聚合物溶液与基板的接触角由溶液的粘度决定，而溶液的粘度又由浓度来改变。由此可知，浓度固定时，接触角就固定。所以由简单的几何关系就可知，对于成份相同的溶液，粘度和针头的型号就决定了单个液滴的形状( 包括直径、矢高和曲率半径) 。实验中，通过摸索调整溶液粘度和压力大小及脉冲时间，就可以得到所需椭圆微透镜的两个焦距。实验中选用28号针头，其内径为0.15 mm，外径为0.35 mm; 溶液浓度为4 mol/L。使用微透镜阵列的耦合：我们分别测量了传统的平接连接法和本文所介绍的微透镜耦合法的耦合效率和对不同轴的容忍性。由于LD的发散角和光纤的数值孔径都会影响到耦合效率和对不同轴的容忍性，所以我们在实验中使用了同样的LD和光纤来比较两者的耦合。测得1.55 m的LD发出的光束在接触面处的垂直和水平发散角分别是39.3和20.2，光纤芯径为8.6 m，折射率差为0.42%，数值孔径为0.096。平接连接法中, 光束从LD直接进入光纤中。微透镜耦合法中, 在两者之间增加了一个椭圆微透镜, LD、微透镜和光纤被固定在高精度多轴定位平台上, 其在X、Y、Z方向移动精度上0.1 m,X、Y方向上转动精度是3。激光光束经过一段一米长的SMF传至能量计上来测量其光能分布。利用红外感应卡( 当被红外线照射时可以放射出可见光) 来帮助调整定位。首先, 调整LD和光纤。对于平接连接法, LD发光面与光纤端面直接相连, 对于微透镜耦合法,LD与微透镜阵列背面( 即石英基板一侧) 相连。LD的驱动电流从9.0 mA调至18.0 mA, 测出激光输出能量。微透镜耦合方案的耦合效率是链接法的8倍。另外, 对不同轴的容忍性也是影响耦合效率的重要因素。不同轴包括水平错位、轴向错位和角度倾斜。与平接连接法相比, 微透镜耦合法对水平错位和轴向错位有很好的容忍性, 但对角度倾斜要求很高。优缺点：LD与光纤之间使用微透镜耦合的方案与传统的平接连接法相比, 耦合效率大大提高, 并且对水平和轴向的对接精度要求显著降低，但是对角度倾斜要求很高。微反射镜：静电微反射镜的应用研究主要集中在光开关、投影仪和被动式空间光通信器件三个领域中。光开关和应用于投影仪的微反射镜研究起步较早, 空间光通信器件的研究是最近几年才发展起来的。微反射棱镜2:微反射镜的另一重要应用领域是空间光通信, 这方面角锥棱镜( Cube- corner Retroreflector) 的结构方式应用最为普遍。东京科技大学对其在无线通信系统中的应用进行了系统分析。角锥棱镜的入射光束分布于三个镜面上, 仅仅在有效光阑半径内的入射光才能经过三镜面的依次反射产生与入射光平行的出射光, 且出射光与入射光光强呈中心对称。角锥棱镜具有三个相互正交的工作平面, 相比平面镜来说体积较大、结构复杂, 同时还对工艺精度尤其是镜面的相互垂直度要求高。由于其入、出射光平行, 能从原理上自动跟踪光源, 可望用于近距离网络通信、星际通信等领域, 尤其适用于随动通信系统间的通信。DARPA 计划所提出的智能尘埃中的被动光通信装置就采用了角锥棱镜系统。它被作为空间光通信的重要器件从本世纪初起进行了重点研究, 其重点是具有高垂直精度的微角锥棱镜结构及工艺。具有良好工艺性和精度可靠性的典型结构如图5所示,它们分别包含两个侧反射面和一个底反射面。底反射面由可动微反射镜组成, 它通过微反射镜的角度变化改变三个面的正交性, 进而改变反射光的平行性。侧面分别由铰支结构、插装结构装配而成, 前者结构较为复杂、工艺复杂; 后者相反, 工艺复杂结构简单。两种结构的共同缺陷是距离应用有一定差距。应用于被动空间光通信领域的微角锥棱镜是静电微反射镜方向具有挑战性的课题之一，研究的成功将为通信带来又一次革命。它的研究始于DARPA 计划和加利福尼亚大学伯克利分校传感器与执行器研究中心( Berkeley Sensor & ActuatorCenter) 的Pister 和Kahn 教授智能尘埃计划的提出。不足：深入研究微反射镜的特性。现有微反射镜的设计主要倾向于机电特性而欠缺对光学性能的深入分析。为此, 需进一步研究不同光学面形状、尺寸参数和阵列参数对光学性能的影响, 克服衍射效应等带来的不利影响。折射率渐变微透镜：Spot-size converter（波导模态变换器）是光纤与光波导连接之间的一种常用的过渡结构，它可有效地提高不同类型的波导结构之间的耦合效率。目前，已有多种Spot-size converter的报告，例如由高相对折射率差的半导体材料制备的光波导采用了波导宽度和高度渐变型过渡区。渐变折射率Spot-size converter3的设计：取单模石英光纤的为0.3%，芯直径为8m，芯层折射率为1.4681（波长在1550nm处）；为0.6%的单模矩形光波导宽度为6m，高度为6m，芯层折射率为1.5343（波长在1550nm处）。采用光束传播法仿真软件（Beam PROP软件）计算的结果表明，若光波导不设置Spot-size converter结构，光纤与波导的端面耦合效率为78%。为了提高光纤与光波导器件的连接耦合效率，减少插入损耗，本文计算设计了两种平面Taper结构的Spot-size converter。第一种波导Spot-size converter结构为图1所示的，波导侧边为线性渐变型Taper的结构，Taper的厚度与直波导的相同，为了6m。其他结构参数为W1=8m，W2=6m、L为折射率线性渐变区长度。Taper波导区的，由起始处的0.3%线性增加到0.6%。如图2所示。扫描改变L的大小，由BPM（beam propagation method）仿真计算Spot-size converter与单模石英光纤的端面耦合效率，结果示于图3中的曲线1.当时，耦合效率达到；当再增大时，耦合效率基本不变。设计的第二种结构如图所示，波导厚度为，区的波导具有对称的抛物线渐变形侧边，区波导宽度是的函数，满足式其中，区波导相对折射率差具有线性渐变分布，满足式扫描的大小，由仿真计算端面耦合效率，结果如图中的曲线所示。当时，耦合效率提高到.左右，L再增大，耦合效率基本保持不变。从图3结果看出，采用折射率渐变区可使波导与光纤的端面祸合效率得到改善, 渐变区长度L 存在一个饱和距离, 既当渐变区长度大于这一距离时,祸合效率基本不变。采用饱和距离作为过渡区长度时, 藕合效率最大且Spot-size converter的尺寸较短, 有利于器件的集成型化。两种结构的比较表明,侧边抛物线渐变结构的效果要比侧边线性渐变结构的好。优点：高分子光波导由于具有良好的光学性能、易加工、价格低廉等优点，近年来成为研究热点。衍射微光学元件：二元光学：二元光学元件(Binary Optical Elements ,简写BOE) 是一种位相型的衍射光学元件。它以光的衍射效应为基本工作原理,采用对光学波面的分析来设计衍射位相轮廓。目前制作二元光学元件的方法主要有微电子工艺中的刻蚀法、镀膜法,高精度钻石车床程序控制切削法等。其中微电子工艺技术中的刻蚀法是目前采用的主要手段。由于实际制作出的位相轮廓,是以2 为量化倍数,与理想的连续位相轮廓的台阶形状近似,故被称为“二元光学元件”。二元光学元件的设计与制作:二元光学器件的设计与制作过程是,首先根据使用要求(包括孔径、分辨率、焦距、波面特性等) ,经计算机的优化设计,确定表面的位相分布,按刻蚀次数设计成N 个振幅型掩膜,经光刻显影,离子蚀刻去胶后得到位相型二元光学元件,其典型工艺过程见图1。图1 示出用蚀刻法进行形状制作的工序。在基板上涂敷光致抗蚀剂进行光掩模曝光和显影,复制图形。然后利用反应性离子蚀刻,除掉基板直至光程长深度为0/ 2 ,最后除掉残留的光致蚀剂。据此,能够制成2 级形状。但是,每道工序除掉基板的一半深度。与用反应性离子蚀刻法除掉基板的方法相反,也有沉积几分之一波长厚的薄膜的制造方法,图2 示出这种薄膜沉积法。二元光学一词是美国林肯研究所的Veld2kamp 等人提出的,在最初的研究中只使用一次蚀刻法的工序,就形成二级(二元) 形状,这就是二元形状的由来。这样,在二元光学无元件的制作中,由于采用蚀刻法,所以适合于大批量生产。过去的折射型透镜的制作大多是靠工作人员的经验,而现在则用已确立的蚀刻工序实施的。另外,过去是组合许多透镜来构成非球面,以修正像差。而二元光学元件由于形状可以自由设计,所以用一个元件就能实现像差修正,这是其优点。应用：矫正视力缺陷,制成双焦隐形眼镜4二元光学双焦透镜，用于眼科病人矫正视力非常有效。医生将病人的被白内障致混浊的眼球水晶体用冷冻法去除后，配上二元光学透镜，使入射光聚焦在两点上,一个将图像直接聚焦在视网膜上；另一个在其稍后。由大脑选择它认为是最清晰的一个，而放弃另外一个。菲涅尔透镜：菲涅尔透镜提高太阳能利用率的研究5太阳能能源清洁无污染，但是太阳能光伏发电的成本高达普通煤电成本的6至8倍，如此高的成本很难使其得到普遍推广。因此, 提高太阳能的利用效率、降低成本是目前太阳能光伏发电的主要研究方向。其中，降低太阳能电池发电成本的有效途径之一是用聚光太阳能电池来减少给定功率所需的电池面积，并用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的太阳能电池。在这种系统中，太阳能电池的费用只占系统总费用的一小部分，所以可以采用工艺先进、效率更高而价格较贵的电池来提高整个系统的性能。在太阳能利用中的聚光器要求具有较好的光学性能，反射率或透射率一般要在以上具有足够的刚度和强度，保证聚光器能够在风载、雪载、自重等负荷下正常工作具有良好的抗疲劳能力，以保证机械结构在反复交变工作条件下的寿命具有良好的抗沙尘和冰雹等能力，以保证电站在沙漠、高寒等恶劣条件下正常工作，同时抵卸非正常气候的破坏具有良好的抗腐蚀能力，要有抗紫外、防盐雾和酸雨等性能具有良好的运动性，以使结构本身的运动能耗降到最低具有良好的保养、维护和运输性能。菲涅尔透镜的结构和特点：菲涅尔透镜是由平凸透镜演变而来的, 是一面刻有一系列同心棱形槽的轻薄光学塑料片,如图1所示其每个环带都相当于一个独立的折射面, 这些棱形环带都能使入射光线会聚到一个共同的焦点上因此, 消球差是菲涅尔透镜的固有特点普通的菲涅尔透镜是具有正光焦度的平面型透镜, 其中一个面为棱形槽面, 另一个面是平面这种透镜结构简单, 加工方便。另一种形式为弯月型, 即它的基面为曲面, 其优点是为消像差增加了自由度, 对提高成像质量有利, 但工艺较复杂菲涅尔透镜的棱形槽一般为每毫米2到8个槽, 精密型的可达到每毫米20个槽左右。这样, 菲涅尔透镜便完全有可能同以衍射极限为分辨力的一般透镜相比拟通常, 菲涅尔透镜在整个直径范围内的厚度基本相同,所以使用它可以节省材料, 减轻重量, 还可减少光吸收作用。与传统的光学玻璃透镜相比, 菲涅尔透镜用于太阳能电池聚光的优点是体积小, 重量轻, 价格便宜, 用很少的原料便可得到较大口径的透镜加工方便, 不易脆裂, “ 光学记忆力”好透光率高, 实际上可达到以上考虑了反射损失和制造缺陷的影响适当设计齿的角度, 如采用变焦距技术, 可使电池上的光强分布合理, 这是其它聚光镜难以做到的透镜本身就是电池外罩的一部分, 可以保护电池, 聚光束被包括在一个封闭的罩子里, 可防止意外烧伤人体和灼伤眼睛, 防止可燃物碎片落入聚光器引起火灾散热效果好, 采用菲涅尔透镜的聚光系统的散热器位于电池外罩的阴影里,不会被太阳直射, 便于散热电池温度低, 效率也就高保养清扫方便, 电池无需清扫, 如采用齿面向电池的透镜, 上面的积尘也很容易清除有一定的强度和韧性, 能经得起砂、石的打击。优点与不足：菲涅尔透镜作为折射式聚光器可明显提高太阳能的利用率, 但其聚光倍数会随光强的减弱而变小, 而且还会随太阳视场角的增大明显减小, 主要是透镜表面存在反射损失。因此, 若把透镜应用到聚光太阳能系统, 为使光线能垂直入射, 跟踪技术一直是该领域的研究重点。菲尼尔透镜应用2：热释电红外传感器应用与车流量检测系统6使用热释电红外传感器时, 其表面必须罩上一块菲涅尔透镜。所谓的菲涅尔透镜就是一种特殊设计的、由塑料制成的光学透镜组, 是根据菲涅耳原理制成的。它把红外光线分成可见区和盲区, 具有聚焦的功能; 其与热释电元件配合, 可以提高传感器的灵敏度, 扩大监视范围。菲涅耳透镜有折射式形式, 它的聚焦作用是增加灵敏度, 使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式影响红外传感器, 这样红外传感器就能产生变化的电信号。当传感器加上菲涅尔透镜后, 其检测距离大约可以增加到原来的五倍。优缺点：与普通透镜相比，菲涅尔透镜加工方便，重量轻，价格低廉。折衍混合系统：液体可变焦折衍混合系统的研究7液体变焦透镜技术及其发展：微光学系统中使用的光学组件的典型尺寸为几十至几百微米，在这个尺度下，液体的行为强烈地受表面张力的影响，表面张力已经超过重力等其它力而成为主导力。目前已经提出了很多种操纵微小液滴的方法用于改变液体透镜的焦距，包括利用结构化表面、热毛细管作用、电化学效应、介电电泳和介质上的电润湿(EWOD)、通过机械结构直接改变液滴表面曲率等，其中最后两种方法以直接用电控制离散液滴表面张力的EWOD法和通过机械结构直接改变液滴表面曲率法受到日益关注。举例说明：电润湿法液体变焦透镜介质上电润湿是从电润湿I0(Eleetrowetting，Ew)发展而来的。1936年，Aleksandr Froumkine利用电场来改变处于金属表面上的小水滴的形状，并成功的推动液滴在平板上运动，这种现象便被称为电润湿，它是通过在液滴和电极之间施加电场，来改变液一固表面的张力系数，从而改变接触角的大小。然而，对于这种液滴与电极直接接触的结构，接触角的改变量很小，而且易产生气泡，稳定性差。近年来研究发现在液滴与电极间插入一层薄的绝缘介质层后仍然可以用电控制液滴的接触角，从而被称为介质上的电润湿(Eleetrowettingonnieleetrie，EwOD)。改变液滴接触角所需的静电场是通过在液滴和平板电极问施加一定电压来完成的，平板电极内嵌于绝缘衬底，并且距液体与固体的交界面有一定距离。利用介质上电润湿，可以制作出由微小液滴组成的变焦透镜，其基本结构如图3.1所示。当小液滴置于疏水绝缘层上时，在表面张力的作用下，液滴与疏水绝缘层之间的初始接触角为钝角，液面曲率大。入射平行光线经过液滴时发生折射而会聚于一点如图2.1(a)，此时液滴形成的透镜的焦距短。当在液滴与电极间施加一定电压时，由于EWOD效应，液滴的接触角将减小，液面的曲率也随之减小，入射光线经液滴后将会聚于较远的点，透镜焦距增大如图2.1(b)。在液滴接触角未饱和的情况下，所加电压越高，EWOD效应将越明显，液滴接触角及液面曲率越小，透镜焦距越大，从而达到通过改变控制电压来调节透镜焦距的目的。利用EWOD效应，通过外加电压来调节液面的曲率，就可以实现对透镜焦距的控制。与其它结构相比，这类透镜具有功耗低、失真小、寿命长、可调范围大等突出优点，越来越受到人们的青睐。目前，国外已有许多单位在研究这类透镜，而且进展很快，有的已经产品化了，例如Philips公司于2004年3月发布了一款名为FluldFocus的可用于拍照手机等便携设备的液体变焦透镜。与传统的固体变焦透镜相比，液体可变焦透镜具有功耗低、失真小、寿命长、可调范围大等突出优点，越来越受到人们的青睐。液体变焦透镜存在的问题：但是上述的液体变焦单透镜仍然为传统的折射光学系统，不可避免的存在色差问题。如果用传统的双胶或三片镜片来消除色差仍然会有体积大，结构复杂的弊端，如果将变焦光学组件的尺寸降为几十至几百微米时由于液体的行为强烈地受表面张力的影响，表面张力已经超过重力等其它力而成为主导力。此时不同液体的接触面曲率就容易发生变化，不容易控制，这不适合双胶或三片镜片的形式来消除色差。因此普通的液体可变焦单透镜在变焦的同时要做到消除色差并不容易。液体变焦透镜作为光电子器件中的新兴部件，其巨大的优点正受到各行各业的广泛注意，业界专家还表示，液体透镜很有可能会全面取代传统光学镜头。但是传统的液体变焦透镜无论是电湿润式的还是机械式的，都往往会有色差现象，而且在变焦的同时要做到消除色差并不容易。随着二元光学技术的发展，人们越来越多地采用二元光学技术来改进传统的折射光学元件(如折衍混合系统)，以提高它们的性能，并实现普通光学元件无法实现的特殊功能。本文提出两种液体可变焦折衍混合透镜，如图4.1所示，一种为二元面在基底为平面的折射面上的可变焦混合透镜(图4.1(a)，另一种为二元面附着在基底为曲面的折射面上的可变焦混合透镜(图4.1(b)。如图所示。设计模型：液体可变焦折衍混合光学系统由传统的液体折射透镜系统和二元透镜系统组成。由于BOE的色散特性与材料的无关性和负向性就非常有利于消色差，这也是BOE在成像领域受到青眯的主要原因。这种以液体作为折射系统的材料，结合衍射面的可变焦单透镜变焦非常具有可行性。该模型A将二元面附着在基底为平面的折射面上，当基底另一侧表面曲率发生变化时，不影响二元面结构，如图4.2所示。为了设计该光学系统，我们设为设计中心波长，和为消色差波长，整个光学系统的焦距为F。该模型的光路示意图如图.所示。该光学系统的成像过程可以视为物点M经过液体折射透镜第一次成像于点，再经过衍射透镜进行第二次成像于点。图中为第m带外边缘，AB的长度d定义为刻蚀深度，有其中为衍射面的折射率。折射元件的色差是由光学材料的材料色散引起的，而BOE的色差是有微结构衍射的波长依赖性引起的，其色散特性和材料特性正好相反。对于液体可变焦折衍混合透镜来说，对焦距的改变起决定作用的是其折射部分。衍射部分主要负责消除色差，其对于焦距的变化量很小。液体变焦透镜在成像时要得到合适的透镜焦距，并不需要像传统透镜那样通过透镜自身的镜头沿光轴方向转动。液滴和油滴表面曲率的改变才是液体透镜实现变焦的关键所在，如两种液体间接触面的形状在电压作用下会发生改变，从而实现变焦。由于考虑薄透镜，因此焦距变化公式为:由于普通的液体变焦透镜在基底曲率变化的同时不可避免地会存在色差现象，因此将衍射面附着在液体变焦透镜的其中一个折射面上，形成液体可变焦折衍混合系统。因为该混合透镜模型衍射部分的焦距为寿，则其总的系统焦距则为:上式即为该液体折衍混合系统模型系统焦距与其基地半径的变化关系。由于衍射部分的焦距远大于折射部分焦距，因此整个折衍混合系统焦距仍然可以看作与半径R呈线性关系。衍射部分由于色散特性的负向性，其对整个折衍混合系统很好地起到了消除色差的作用，但随着基底半径R的变化增大，色差也不可避免地会逐渐增大，因此在实际应用中往往使得半径R在一定范围内变化，从而使色差最小。设计模型B在光学系统中，为提高象质和简化系统，经常使用非球面。但非球面的加工、测试困难，成本高，重复性差，精度不能保证。而对于衍射光学元件，引人复杂的非球面相位分布，并不增加加工难度，也不影响加工精度，所以利用BOE，在不影响精度和加工难度的情况下，增加了设计自由度，这对光学系统的设计非常有利。BOE的这一特点在准单色光系统中特别有用，利用BOE可精确的引入任意的非常大的非球面自由度。而在宽波段场合，BOE的非球面度随波长的不同而不同，因而引入过大的非球面度会引入很大的色像差，因而在宽波段场合，通常可利用BOE引入少量的非球面度，以校正系统的色像差。一般来说，BOE在HOS中的作用与其使用的场合有关。对单色光、准单色光场合，BOE的主要作用是提供非球面自由度，它有很强的色差校正功能，而且利用BOE消色差不会增加系统的绝对光焦度，因此，此模型把衍射面附着在基底为非球面的折射面上，其结构如图4.5所示。为了设计该光学系统，我们同样设d为设计中心波长，F和C为消色差波长，整个液体可变焦折衍混合光学系统的焦距为F。由图中可以看出，不同于模型A，此模型的二元面附着在一个曲面上。因此随着基底的曲率变化，衍射面曲率也发生。在此模型中，假设其衍射面的刻蚀深度变化很小。设计模型B的折射部分：假设仍然将该模型视为薄透镜，液体材料的折射率随波长不同而不同，设为n()，R为该模型基底的曲率半径。其在波长为的情况下，同样满足下列焦距公式:该液体折射透镜的焦距fref同样随着基底的曲率半径R和基底材料折射率n()的变化而变化。在不同的波长下，该液体折射透镜的焦距不同，即同样存在着色差。设计模型B的衍射部分：该模型的成像过程仍然可以视为两步，首先物点M经过液体折射透镜第一次成像于O点，再经过衍射透镜进行第二次成像于O点，只不过此模型的衍射面附着在曲面上，因此当变焦时，衍射面的结构随着基底曲率的变化而变化。其成像过程如图4.6所示。折衍混合系统应用2：折_衍混合红外物镜的超宽温消热差研究8：保证光学系统在较宽的温度范围内正常工作的技术被称为消热差技术。根据仪器的特点和使用场合的不同，消热差技术一般可分三类：机械主动式、机械被动式、光学被动式。利用基于二元光学元件的折/衍混合系统，实现光学被动式消热差设计。采用传统折射光学系统只能通过改变结构参数、曲率及使用不同的光学材料来校正像差，一般至少需要三种红外材料，使得系统结构复杂，系统所需透镜数量增加，光学效率也不高。由于红外系统的空间是有限的，如果能减轻重量，减小体积是非常有实际意义的。折/衍混合成像系统充分利用了传统光学元件和衍射光学元件各自的优点，有效的简化光学系统结构、减轻重量、缩小体积和改善成像质量，实现许多传统成像光学所不能达到的目标，是对传统成像光学的重大变革。微光学系统：自由空间微光学系统：微光学平台9：近年来, UCLA 的科研人员将表面微机械工艺制作的微型铰链与自由空间集成光学结合研制完成了一种可实现片上光学处理的微光学平台, 引起广泛关注。自由空间集成光学较光波导方法有如下优点: 高的空间带宽、无干扰的光学路径、三维光学互连、光学信号处理( 例如傅立叶光学) 的可能性。但是其制作要比波导器件困难得多, 因为大多数单独制作的光学元件都是平躺在基片表面, 而光路处理却恰恰要求它们直立起来。解决元件直立问题的办法是使用表面微机械铰链和弹簧锁, 这一技术为自由空间集成光学开辟了一个全新的空间, 采用该技术可使三维微光学元件集成在同一硅片上。这里硅基片相当于一个微型光学平台, 微透镜、反射镜、光栅和其它光学元件首先在掩模设计阶段进行预对准, 之后投入制作, 其精确调整和定位由集成在片上的微制动器和微型定位器来实现, 例如旋转或移动工作台; 最后再将有源器件集成在芯片上, 一个完整的光学系统就制作成了, 如图13 所示。微光学平台是微光机电系统技术应用的一个典型例子，它主要用于光学测量和实验。传统的光学系统平台体积大，系统中的元件是先分开制造然后组装的，装配量很大，成本提高。而微光学平台体积小，系统中的元件可集成加工在单一芯片上，对准精度高，可成批生产，成本低。这些优点使微光学平台相对于传统的光学系统有很大的优势。所以，该方面的研究是微光机电系统研究的最基本部分。研究包括各种铰链（图a）、微反射镜（图b）、微衍射透镜（图c）、微折射透镜（d）、光束分离器和光栅等。上面图13为美国加州大学洛杉矶分校提出的微光学平台样机。该微光学平台由微透镜、分束器、反射镜和光栅等元件通过铰链组装技术集成在一个芯片上。堆叠式：光栅光谱仪9：图9所示是通过MEMS技术加工得到的光栅光谱仪。它是通过表面硅和体硅混合工艺加工而成。其原理是，输入光束通过由铝膜形成的光栅后，经过三次反射，不同波长的光束分别反射到光电二极管阵列的特定位置上，分别检测出特定波长的光束。平面型微光学系统：为实现光路集成，像电路一样，具有二维平面的集成和三维空间集成，光器件就要波导化、阵列化，充分利用现有集成电路的微加工工艺。近些年发展起来的平面光波导光路（PLC），就是希望实现像电路印刷版一样的平面光子回路的大规模集成，为二维平面集成。PLC具有成本低、便于批量生产、易于集成的诸多优点，被认为是光通信系统产业的救星。分离光器件向光波导的集成器件发展是一种必然趋势。LiNbO3光波导调制器10,11,12:光纤通信系统的调制器主要是LiNbO3光波导调制器。LiNbO3光波导调制器是利用电光效应对光波的相位、强度或偏振态进行调制的器件。对高速系统而言，最常见的LiNbO3光调制器是Mach-Zehnder干涉仪（MZI）型行波电极强度光调制器，图1.2是其结构示意图。这种调制器采用了MZI的波导结构和行波电极结构，不仅可获得很高的工作速度，而且调制信号的频率啁啾非常小。根据晶体的电光效应，人们提出了外调制器, 由最初的体调制器发展到行波调制器,由相位调制器到强度调制器。目前研究的多为行波调制器。由于难以检测光相位, 故采用M ach2Zehnder 强度调制器的结构。迄今为止, 已提出了多种结构的行波调制器, 如共面波导,非对称共面微带结构的行波调制器。行波调制器的主要参数调制带宽受限于光波与微波的速度失配, 这源于铌酸锂的介电常数太高, 导致调制器的微波等效折射率远大于光波的折射率。为了获得较宽的调制带宽, 许多旨在降低调制器的等效折射率的新结构就被提出来。这些方案在获得宽带宽和低的驱动电压的同时, 特性阻抗却远小于508 , 这是由于它们在提高速度匹配的同时调制器的电容大大增加了。微光机电系统（MOMES）13：MOMES加速度传感器：随着MOEMS技术的发展，为了解决现有的MEMS加速度传感器普遍存在的精度较低的问题，因此利用光学测量精度高的优势与MEMS技术相结合的MOEMS加速度传感器的研究成为了一个重要的发展方向，与前文所述的各种原理的MEMS加速度传感器相比，MOEMS的加速度传感器具有抗干扰能力强，适宜于强电磁干扰及强腐蚀环境，灵敏度高，体积小重量轻，适合于航空、航天及狭窄空间的应用，并且成本相对较低等诸多优点。但是目前MOEMs的加速度传感器大多数都还处于实验室研究阶段，国内外对MOEMS加速度传感器的研究主要有以下一些类型:1.光纤Fabry-Perot(F-P)腔的MOEMS加速度传感器：光纤F一P腔的MOEMS加速度传感器是利用加速度传感质量块的一个端面与固定的光纤端面平行形成F一P腔，其结构如图1.12所示，通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺在硅基底上刻蚀出传感质量块和悬臂梁结构，传感质量块的一个端面与光纤的端面在加速度敏感轴方向上相互平行，形成一个F一P腔，光纤固定在硅基底上制做出的V形槽内。光纤同时作为光信号的出射和接收端，宽谱光源入射的光通过光纤端面进入F一P腔，光在质量块和光纤端面之间多次反射，形成多光束千涉，干涉信号同样由光纤端面接收输出到探测器。如图所示，当外界加速度作用时，传感质量块会沿垂直于光纤端面的方向移动，由于质量块移动引起F一P腔的腔长的变化导致F一P反射谱漂移。通过探测输出光谱的漂移，就能反映出加速度的变化。目前这种结构的MOEMs加速度传感器实际分辨率可达1mg，但是光纤F一P腔的MOEMS加速度传感器对质量块反射端面与光纤端面的平行度和反射率要求都非常高，F一P腔的装调难度大，并且在质量块振动过程中很难保证其平行度。另外，F一P腔的腔长变化范围有限，因此这种MOEMS加速度传感器测量的动态范围很小，一般不会超过2g，限制了它的实际应用。2.微结构光栅的MOEMS加速度传感器这种类型的MOEMS加速度传感器是利用MEMS加工工艺，在同一基底上加工出可动光栅和固定光栅两种结构，如图1.13所示1301。在一个基底上通过双面刻蚀制做出传感质量块和可动光栅一体的微结构，该结构包括了四个折叠的悬臂梁、传感质量块以及一组可动光栅组成，而固定光栅则制做在固定基底上。光源照射在光栅上，这样一组可动光栅和固定光栅形成发射相位光栅。当垂直于质量块的表面方向上的加速度作用到质量块上时，质量块会带动可动光栅发生上下移动，形成明暗相间的衍射条纹。当可动光栅与固定光栅的高度差发生变化时，由光栅反射形成的衍射条纹各级衍射极大的位置将发生变化，这样探测器上所探测到光强就会发生变化，从而达到测量加速度大小的目的。衍射光栅式的MOEMS加速计体积很小，整个结构在同一基底上制做完成，有很高的集成度，而且在理论上有这很高的分辨率，可以达到声g量级。但是，为了获得较高的分辨率，就必须提高光栅周期数，即在有限的尺