具有任意图形编码的二值位相光栅的制作

　　1　引　　言

　　位相光栅(phase-only grating,POG)因其是一种周期性的位相结构而具有衍射分束的功能。它在光计算,复成像,光学信息处理,光学检测等领域中有广泛用途,可充分发挥光学处理的高速性和并行性的特点,因而成为近年来二元光学研究的热点之一。

　　POG根据位相形式可分为连续型,多台阶型和二值型。从理论上讲前两类具有较高的衍射效率,但目前因其制作困难,工艺误差较大,实测值往往同理论值相差较大,并且加工费用昂贵,因此从国内制作条件和经济条件而言,我们一般都选择结构简单,成本低廉的二值型位相光栅(binary phase grating,BPG)。BPG又可分为(0,non-π)型和(0,π)型两类,前者对膜厚误较为敏感,而后者的设计思路又可为前者的设计提供很好的借鉴,所以我们以(0,π)型BPG为研究对象。经研究表明,采用我们提出的设计方法,(0,π)型BPG也可获得较高的衍射效率[1]。二维BPG的二值位相编码可分为可分离变量型和不可分离变量型:前者因直接利用一维的结果而设计最为简单,但就衍射效率而言,它明显劣于后一类型;对于不可分离变量型,过去人们已提出正方形,条形和梯形三种编码方案[2],由于它们依次呈包含关系故衍射效率依次提高。然而作为最普遍的形式——任意图形的编码则应该获得最高的衍射效率。我们首次采用“虚拟场调制法”设计了具有任意图形编码的(0,π)型BPG(arbitrary-geometry BPG,ABPG)[1]。设计结果证实了这种编码可获得比前述几种编码更高的衍射效率。

　　本文的主要部分将基于大规模集成电路加工技术介绍这种复杂的具有任意图形编码的二值位相光栅的制作过程。该制作过程先后包括了振幅掩模母版的制作和掩模图形的转移。我们将首先在第2部分介绍振幅掩模母版的制作,随后于第2部分介绍掩模图形的转移。接着在第4部分,针对制作的25×25扇出的Dammann光栅,介绍了实测结果,并分析了制作误差的影响。最后给出了小结。

　　2　振幅掩模母版的制作

　　此步工作的工艺流程图如图1所示,主要包括以下三个步骤:

　　2.1　掩模图形的数据格式及其转换

　　我们在文献1中介绍了ABPG的设计,设计出的部分光栅的编码图案如图2所示。从宏观上看这些图案包括了众多具有任意形状的子图形,在微观结构上我们采用了大量的简单矩形来构造这种复杂图案,如图3所示,每个光栅周期在纵向(y轴方向)被均分为256行,其中的每一行在横向则以几个黑色的矩形(即须制作的图形)来代表位相π的区域。在设计时我们采用了三个变量来表征每个矩形的特征:即用yj表示第j行的矩形中心的纵向坐标(j=0,1,2,…,N-1);用X2i,j代表该行的第i个矩形的横向起始坐标,用X2i+1,j,代表该矩形的横向终止坐标(i= 0,1,2,…,N-1)。尽管这种数据表示方式给我们的设计带来了极大的方便,但它并不能直接用于制版。