二元光学元件激光直接写入设备的研制

　　1　引　　言

　　二元光学(Binary Optics)是一种衍射光学,是在全息技术基础上光学和微电子学相互交叉渗透而成的光学前沿学科。它的出现使数百年不变的光学元件加工方式产生了巨大变化,大大地拓宽了光学系统的应用范围。光学系统中应用二元光学元件,能够简化光学系统结构,减少构成系统的光学元件数量,减轻重量,提高性能(如增大视场,提高相对孔径、改善成像质量等[1])。二元光学元件为光学系统和结构向微型化、轻量化和集成化方向发展将作出重大贡献。

　　二元光学元件(Binary Optical Elements)是利用光学衍射原理起汇聚、成像及分光等作用的光学元件,它以光学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相位轮廓。传统的二元光学元件制作工序是:设计人员用数学方法设计出理想的衍射表面结构,然后用光刻、离子刻蚀、镀膜等各种方法将掩膜图案转换到光学基片上[2]。重复上述过程,使基片形成一个多极相位的凸凹结构,最后成为一个不连续的、但接近原来设计的衍射表面。在制作过程中,每多一次掩膜,不连续的位相层就多一位,所以称为二元光学元件。

　　八十年代制作二元光学元件的方法是采用了大规模集成电路制作的光刻工艺。然而这样的光刻技术已不能满足目前人们对二元光学元件的要求,这主要体现在:

　　(1)只能制作平面衍射元件,无法在曲面上制作。

　　(2)对于制作旋转对称型的元件制作误差过大。

　　(3)只能适于套刻制作,工艺复杂,成品率低,难以制作高衍射效率的元件。

　　(4)制作元件的口径小。

　　针对上述情况,国外正在发展基于激光直接写入的二元光学元件和设备(如美国、德国、瑞士、加拿大等主要发达国家)。1995年美国Arizona光学中心报道了他们研制成功的四轴联动激光直接写入设备,其元件的写入口径从Φ150mm到Φ300mm。从激光直接写入设备的发展来看,该设备代表了今后的发展趋势,表1汇集了目前三种激光直写设备的功能比较。国内二元光学元件应用的研究起步较晚,在设备方面的研究除浙江大学正在进行实验室原理样机研究外,基本还是个空白点。所以发展二元光学在国民经济、国防建设等方面的应用,研制二元光学元件激光直接写入设备,缩小同国外的差距已成为当务之急。

　　2　二元光学元件激光直接写入设备的设计

　　依据激光直接写入设备的作用要求,该设备要满足曲面极坐标写入和X—Y—Z直角坐标写入的两种功能,完成如下运动轨迹:

　　(1)X+W极坐标写入方式。