衍射光学专业技术及其专业技术应用专业技术

单衍击射此光处学编技辑术母及版其标应题用样式*1谭峭峰单击此处编辑母版副标题样式清华大学

精仪系

光电工程研究所单击此处编辑母版标题样式*1内容：什么是衍射光学，优势何在？如何设计衍射光学器件？单击此处编辑母版副标题样式如何加工衍射光学器件？衍射光学器件的应用单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式光线：折射、反射传播方向由斯涅耳公式确定能量分配由菲涅耳公式确定薄透镜成像*1单击此处编辑母版标题样式电磁波：衍射、干涉、偏振等杨氏双缝干涉实验

单缝衍射实验单击此处编辑母版副标题样式*1单击此处编辑母版标题样式信息信息的获取信息的传输信息的存储单击此处编信辑息母的版处副理标题样式信息的显示·

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·仪器仪表*1光学仪器仪表激光1960年1、什么是衍射光学？单击此处编辑母版副标题样式光学技术与仪器的发展趋势：小(微单)型击化、此阵处列化编、辑集成母化版。

标题样式传统的光学器件对此却“心有余而力不足”，供需矛盾就要求在技术上要有所创新与突破。微光学*1单击此处编辑母版标题样式*1微光学两个主要分支:基于折射原理的梯度折射率光学基于光波衍射原理的衍射(二元)光学1987年，美国MIT林肯实验室Veldkamp领导的研究组在设计新型单传击感此系统处中编，辑率先母提版出副了“标二题元样光学式”的概念。二元光学元件因其在实现光波变换上所具有的许多卓越的、传统光学难以具备的功能，而有利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化，开辟了光学领域的新视野。单击此处编辑母版副标题样式衍射光学定义：基于光的衍射理论，利用计算机辅助设计、并用大规单模集击成电此路制处作编工艺辑，在母基片版上(标或传题统光样学器式件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，它是一种纯位相衍射光学元件。折射透镜到衍射光学器件浮雕结构的演变*1单击此处编辑母版标题单击此处编辑母掩模样曝光式显影刻蚀版副标题样式二元！*1单击此处编辑母版副标题样式衍射理论：标量衍射理论和矢量衍射理论。特征尺寸单>波击长，此标量处衍射编理论辑；母版标题样式特征尺寸~波长，矢量衍射理论。*1单击此处编辑母版标题样式菲涅耳衍射：单击此处编辑母版副标题样式夫琅和费衍射：*1衍射光学的优点：高衍单射效击率此处编•辑独特母的色版散标性能题样式更多的设计自由度 •

宽广的材料选择性特殊的光学功能高衍射效率单击此处编辑母版副标题样式L：位相台阶数*1单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*13>

1>

2折衍混合物镜传统物镜独特的色散性能版标题样式*1玻璃

glass塑料

plastic丙烯酸

acrylic环氧

epoxy宽广的材料可选性只要能刻蚀的，都能作为基底进行衍射光学器件的刻蚀。光学材料、光子学材料、光电材料、电子学材料铝aluminum单击此处编辑母版副标•题铬c样hrom式ium熔融石英、硅、SiO2,SiON,Si3•N铜4copper锗germanium砷化锗germanium

arsenide金gold镍nickel更多的设计自由度台阶位置单、宽击度此、深处度、编形状辑等母。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式Micro

lens*1multicolor

dispersivebeam

collimatoraspheric

generationMulti

focalchromatic

correctionbeam

diverteraspheric

correctionbeam

steerer,scannerpolarization

rotatorbeam

multiplexerwavefront

sampler特殊的光学功能2、如何设计衍射光学器件？*1标量衍单射理击论此：处菲编涅辑耳衍母射版与夫标琅和题费样衍射式空间线性变换系统中的输入输出变换问题？位单相击恢此复处问编题：辑已母知版光副学标系题统样输入式面光场振幅与位相分布，如何计算衍射光学器件的位相分布以正确调制入射光场，高精度地给出预期输出振幅分布，实现所需功能。解的存在性和唯一性？单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1衍射光学实现光束匀滑DOE透过率函数不能解析求解转化成优化问题许多优化算法被提出来进行衍射光学器件的设计：遗传算法(GA)模拟退火算法(SA)c.Gerchberg-Saxton算法(GS)杨-顾算法(YG)最速下降算法爬山法全局／局部联合搜索算法(GLUSA)爬山—模拟退火混合算法……全局搜索算法混合算法全局优化潜力优化效率不高局部搜索算法优化效率高单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1最早的实用算法是GS算法，于1971年由Gerchberg和Saxton首先提出。GS算法的不足与改进：不足:包含许多位相突变点PMA、缓变的理想输出函数等引入局部替代函数获得连续位相分布不足:局部搜索算法

输入输出、ST等对初始值敏感、易陷入局部极值点、设计性能不好ST改进算法设计结果YG算法：更普适的算法中科院物理所20世纪80年代初杨国桢、顾本源矩阵迭代求解公式YG算法的不足与改进：与GS算法类似ST改进难以兼顾位相的缓变与光束匀滑性能的优良单击此处编辑母版副标题样式*1SA算法借鉴不可逆动力学的思想，是一种基于蒙特卡洛迭代求解法单的启击发式此随处机优编化方辑法。母它不版同于标局题部搜样索之式处在于以一定的概率选择邻域中评价函数值大的状态，从理论上讲，是一种全局优化算法。SA算法：爬山—模拟退火混合算法：局部搜索方向(爬山法):+全局优化(SA)：以一定概率跳出局部极值点优化的位相分布：位相连续性得到保证单击此处编辑母版标题样式*1特征尺寸~波长量级或亚波长量级矢量衍射理论基于电磁场理论，在适当的边界条件上严格地求解麦克斯韦方程组。已经发展了几种理论，如耦合波、时域有限差分法、边界元法、模态法等。但总的来说，这些理论方法设计衍射光学器件都要进行复杂的且费时的计算机运算，难以进行优化设计，常用来分析器件性能。单有击待发此展处实编用而辑有母效版的设副计标理题论。样式矢量衍射理论多台阶位相器件的制作连续位相器件的制作复制工艺单击•刻此蚀处轮编廓辑测母量版副标题样式*13、如何制造衍射光学器件？单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式多台阶位相衍射光学器件 减法工艺、加法工艺掩模单击此处编辑母版标题样曝光式显影刻蚀*1单击此处编辑母版副标题样式掩模的生成：图形发生器、红膜图精缩等电子束图单形发击生器此处编辑母版标题~0样.1

式m*1光学图形发生器：红膜精缩：~0.5~1.0mmGCA

PG3600F光学图形发生器单击此处编辑母版副标题样式光刻胶的涂布：甩胶、拉胶等关键：涂单布既击要均此匀，处又编要可辑控制母厚度版标题样式张力提拉*1离心力题样式图形转印：接触式、投影式、分布投影式。接触式光单刻是击将掩此模板处和编涂有辑光刻母胶的版基片标接触题曝样光。式投影式光刻是将掩模图形1:1成象于基片表面曝光。*1分步投影光刻：用紫外光将掩模图形在基片上进行分步投影精缩。单击此处编辑母版副标单击此处编辑母版标题样式刻蚀：湿法刻蚀、干法刻蚀。湿法刻蚀即化学腐蚀属各向同性刻蚀，刻蚀边缘多是园弧形，精度低，不宜刻蚀小于3

m的图形。单击此处编辑母版副标题样式干法刻蚀是在气相中将要刻蚀部分变成挥发物质而被清除，它包括离子刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)等工艺方法，均属各相异性刻蚀。其刻蚀速率高，具有良好的方向性和选择比，分辨率可高达10nm。*1连续位相BOE*1无掩膜方法单击激此光处直编写、辑电母子版束副直标写题样式有掩膜方法灰阶掩膜移动掩膜或旋转掩膜等台阶位相单衍射击光学此元件处的制编作需辑要母多次版重复标掩模题图形样转印式和刻蚀(或薄膜淀积)过程，加工环节多、周期长、且对准精度难以控制。连续位相衍射光学器件：一次成形且无离散化近似。单击此处编辑母版标题样式直写法*1单击此处编辑母版副标题样式电子束：最小水平线宽<0.5

m激光：最小水平线宽>0.5

m轮廓深度难以控制和刻蚀图形变形问题单击此处编辑母版副标题样式*

1灰阶掩膜法衍射光学器单件的刻击蚀深此度与处刻蚀时编辑母版标题样式间、曝光强度成正比。若掩膜板的光强透过率是连续分布，转换并刻蚀在基片上的位相深度就是连续分布的。单击此处编辑母版副标题样式*1刻单蚀深击度此处刻蚀编时间辑母曝光版强度标题样式移动掩膜与旋转掩膜刻蚀深度

圆心角h刻蚀深度

h单击此处编辑母版标题样式母版副标题样式*

1复制工艺衍射光学器件母板制作成本较高。发展复制技术是成本、推广应用的关键。铸造法(Casting)模压法(Embossing)注入单模压击法此处编辑

(Injection

molding)样式单击此处编辑母版标题单击此处编辑母版副标题样式*1在光刻热熔成型以及电铸复制得到的微透镜阵列镍板基础上，采用静态铸塑技术，得到了高质量的PMMA微透镜阵列．复制精度优于0.5

m。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标*1刻蚀轮廓测量微观形貌台阶仪扫描电镜SEM题样式扫描探针显微镜SPM原子力显微镜AFM衍射光学器件已广泛用于光学传感、光通信、光计算、数据存储、激光医学、娱乐消费以及其他特殊系统中。折衍混合物镜光束匀滑光束准直分束与合束光学图象处理微光谱仪光束扫描光盘读数头激光热处理亚波长结构4、衍射光学器件的应用1)照相机物镜衍射光学色散、热膨胀等特性与折射器件具有互补性，校正折射透镜的色差与热差光学系统的小型化与轻量化2)光束匀滑神光Ⅱ装置的惯性约束聚变(ICF)靶场系统a.无器件焦点b.焦前

c.焦点

d.焦后定性描述衍射光学器件的束匀滑功能100mm1.064

mLD3)消象散半导体激光器(LD)存在非对称激活通道，发出的光具有较大的发散角且有像散，一般平行及垂直方向的发散角分别在

y=10

~30

、 x

=30~60

，需预先校正为准直性好的圆形光束才能实际应用。4)长焦深由于系统的加工制造误差或装配误差，或被检测物的表面不平度等原因导致聚焦光斑的变化，从而影响工作精度，因此要求扫描光束沿光轴具有一定的焦深。5)光束准直许多大型乃至巨型的机电设备的安装及测量需要一条准确的长距离光学基准线。基于无衍射光束原理设计的衍射光学器件可以提供此基准线，它可将激光器发出的光改造为准直性非常好的光束，准直范围达几十米。6)分束在光纤通信、光计算、光盘存储、光电技术、图象处理及精密测试等现代科技的许多领域中，越来越多地要求能将一信息(图象或数据)的输入变换成多个信息的输出，因此需要光学分束器件。Dammann光栅、Talbot光栅、微透镜阵列等均能实现上述功能。Dammann光栅:具有特殊孔径函数的二值相位光栅,其对入射光波产生的夫琅和费衍射图样是一定点阵数目的等光强光斑，完

全避免了一般振幅光栅因sinc函数强度包络所引起的谱点光强的不均匀分布。设计思路：相位取二值，但周期内空间坐标(刻槽数目及槽宽)被任意调制或仅相位调制，或空间坐标与相位同时被调制。LaserSpacialFilterDammannGratingLensFilterCCDConfocalPinhole

ArrayLensObjectiveSampleParalell

Confocal

Detection

System

Based

on

Dammann

GratingsDichroicDammann光栅的应用：并行共焦显微镜Dammann光栅的应用：激光加工、激光热处理划片切割激光热处理Dammann光栅的应用：多通道并行处理利用多个特征信息判识物体，提高系统的识别率Talbot光栅:基于Talbot自成像原理，设计一个有特定相位分布的相位光栅，在单色平面波的照明下，使某些特定位置上的菲涅耳象变成一个振幅光栅，即光斑阵列。Talbot距：多台阶Talbot光栅:微透镜阵列:连续位相或多阶位相菲涅耳波带透镜阵列。微透镜阵列的应用：多重成像、波前检测微透镜阵列的应用：与红外焦平面探测器耦合7)光束迭加8)二元光学视网膜(BOR:Binary

optical

retina)纹理是图象视觉表面的基本特征之一，包含了与物体形状、方位和深度等密切相关的亮度统计信息和空间分布信息。对输入图象提取不同频带和取向的纹理特征信息，