用于无模光刻的连续浮雕谐衍射透镜阵列设计

　　1　引　言

　　随着激光直写[1-2]、电子束直写[3]、聚焦离子束直写[4]等直写工艺的发展,高性能的连续浮雕衍射透镜制作已成为现实。相对于台阶式分布衍射透镜,连续浮雕衍射透镜由于具有更高的衍射效率,更适合大数值孔径制作等优点,在光纤耦合、共焦探测、分束器、多通道光互联和光传感器件[4-6],尤其是在近年发展起来的无模光刻等领域更具有吸引力[7-10]。但是普通的连续浮雕衍射透镜大多是在单波长条件下工作,使其在复色光系统中的应用受到限制;同时随着F/#的减小、波长的缩短,普通的连续浮雕衍射透镜的加工工艺难度也显著增大,甚至超出了现有的微细加工能力。另外,在无模光刻等应用中,为了获得高的分辨力,常采用小F/#的衍射透镜阵列[7-10];而且为了获得实时调焦写入以提高写入质量[7,11,12],也需要使聚焦写入和检焦由同一个衍射透镜阵列实现。因此,对普通连续浮雕衍射透镜的设计和加工进行改进很有必要。1995年,Sweeney和Sommargren[13]及Faklis和Morris[14]分别提出了谐衍射透镜的概念,它利用光在位相匹配因子恒定的深浮雕衍射透镜中传播的折射和衍射特性,可以在一系列分离波长处获得相同的光焦度,在一定程度上克服了衍射器件存在大色差的缺点,同时利用透镜的深浮雕特性,优化了调制衍射透镜的浮雕深度和环带宽度,降低了透镜制作难度,因而在多光谱、宽视场及大数值孔径的光学成像系统中得到广泛应用[13-16]。相对其他直写技术,激光直写技术除了技术成熟外,更适合大范围、深浮雕的连续浮雕衍射透镜制作,且成本较低,因而在连续深浮雕制作领域备受关注。

　　本文在分析谐衍射透镜特点基础上,考虑激光直写制作工艺对连续深浮雕衍射聚焦特性的影响,对无模光刻聚焦写入透镜阵列在检焦波长处进行谐衍射设计,使聚焦写入和检焦由同一个连续浮雕衍射透镜阵列实现。制作和测试了该衍射透镜阵列,以此兼顾系统的分辨力和衍射效率,并达到实时调焦写入的目的。

　　2　设计理论基础

　　谐衍射透镜的特点是相邻环带之间的光程差为设计波长λ0的p倍(p≥2),相当于设计波长为pλ0,焦距为f0的普通衍射透镜。因为衍射透镜焦平面上的能量分布可看作光线通过各闪耀环带后在焦平面干涉的结果,若使用波长为λ,则其q级焦距为

　　式(2)表明,对于谐衍射透镜,凡波长满足式中整数q所对应的谐振光波均将会聚到共同的焦点f0处,也就是说,可运用谐衍射原理,设计写入激光和检焦激光的波长和衍射级次,使衍射透镜阵列将写入激光和检焦激光会聚到同一焦点,从而为无模光刻系统达到实时同步调焦写入提供可能。