基于MOEMS的微型可编程相位光栅原理性实验研究

　　1　引　　言

　　基于MOEMS技术的微型可编程相位光栅是一种新型光调制器件,最大特点是在不降低光栅色散性能的前提下,通过编程实时改变其结构参数,使光能重新分布,产生预期的衍射和干涉能量分布特性,从而极大地提高其灵活性、扩展其应用范围。由于这是一种新概念和新技术,且现有微加工工艺在制作小批量样品时成本较高,所以应在正式制作前对其原理进行实验研究。本文概述了微型可编程相位光栅的原理与数值仿真结果,论述了原理实验的方法和结果,并与数值仿真结果进行了比较,证实了其技术可行性和相对于同等精度普通光栅的优越性。

　　2　原理与数值仿真

　　基本原理是:利用微加工工艺制作图1(a)所示的结构单元,每个单元由一个静电引力驱动的可动微型光带及其驱动电路(图中电路没有画出)构成,微型光带的尺寸在微米量级,很容易构成面阵光栅结构。光带上面履盖一层反射膜,下表面由特殊形状的导电电极构成,光带在可控微力的作用下可以上下移动,其位移量是可以编程控制的,且大小与入射光的相位改变直接相关。图1(b)是可编程相位光栅的一种典型编程状态示意图,当然还可以编程为其他特定形状。

　　利用光的波动方程可以求出可编程相位光栅在无限远处光强公式为(I0为入射光光强):

　　其中:θ为光线入射角,β为出射角,M为栅线编程高度变化的周期(定义为一个栅节),N为周期数,λ为入射光波长,hi为每个栅节中第i条栅线的编程高度,且h0=0。可以看出通过对微型可编程相位光栅参数的编程控制可以使光场光波的空间相位按要求重新分布,产生预期的衍射和干涉能量分布特性。

　　研究在栅节M=2的情况下,可编程相位光栅的光学特性数值仿真结果:设入射光波长λ=0.6328μm,图2(a)为在h=0编程状态下(此时已退化为普通衍射光栅)的衍射结果,而图2(b)给出了在h=λ/4编程状态下的衍射结果,相当于将图2(a)中衍射条纹的能量完全从一个衍射角度转移到另一个衍射角度上,而且这种能量的转移可以根据不同的波长通过改变编程参数来实现,这是普通衍射光栅无法实现的功能。

　　3　原理性实验

　　原理实验主要检验M=2时的简单情况,采用动态实验和静态实验两种方法。

　　静态实验利用微加工方法制作出如图3所示的装置,等效于在M=2的条件下,可编程相位光栅处于图(1b)时的情况。相邻凸台间距为10微米.

　　如图4所示,动态实验采用一块反射光栅和一块反射镜平行放置来模拟在M=2时可编程光栅的上下两个高度不同的反射面,反射镜由压电陶瓷推动以改变两个反射面之间的间距。其中反射光栅的栅线和反射镜的反射层为铝,而反射光栅栅线之间的部分是完全透光的,没有被破坏。由于两玻璃基底的间距很难达到微米量级,所以两个反射面的间距要远大于入射光波长。这时如果光束入射角不为零,会使上下两个反射面反射的光束之间产生一个光程差。为了能够忽略这个光程差,采用垂直光平行入射,这时在两反射面反射的光束间的光程差为整数个波长再加上波长的n分之一(0≤n<1),从而可以将两反射层间距等效看作小于一个波长,即与图1的情况完全相同。