几种有应用前景的二元光学元件的研究

　　1　引　言

　　随着计算机辅助设计(CAD)和超大规模集成电路制造技术,以及离子束蚀刻技术的迅速发展,人们将这些微电子加工工艺运用到制作光学元件上[1,2],在基片上(如玻璃片,石英片等)制造出位相量化浮雕结构的光学元件,这种技术被称为二元光学技术。用二元光学技术制作的元件有如下优点:(1)理论上可以获得任意需要的波前;(2)具有很高的衍射效率,如4台阶量化结构可达81%,8台阶量化可达95%;(3)这种二元光学元件出现在基片表面波长量级的厚度内,因而具有轻型的特点;(4)二元光学元件与传统的光学元件结合,可使系统更为简洁,并能校正系统像差等。近年来我们在这方面进行了一些研究。获得了一些有应用前景的二元光学元件。

　　2　原　理

　　二元光学元件的制作大体可分为两部分:第一部分是产生所需波阵面的二元光学的模版的设计。它使用光全息和计算全息原理;第二部分是设计出高衍射效率介质表面的位相结构。下面主要讨论位相结构与衍射效率的关系。从理论上讲,高效率的衍射光学元件中各条纹的位相变化是连续的,二元光学技术是将这种位相的变化通过二进制量化,用多台阶位相的方法来逼近连续值。我们以周期为d的光栅为例(其它元件类似),借助振幅矢量曲线[3],来讨论二元光学元件光栅所需要的+1级的衍射效率。对于+1级来说,相邻为d的两端到衍射点有光程差λ,位相差2π,用振幅矢量作图法,此基本单元的振幅矢量图应为一圆圈(图1a),对于空占比为1¨1图1b所示,只有半个圆,它在衍射点的效率为:

　　为了提高光栅的衍射效率,假如把光栅制成2台阶位相型的,使挡住光部分也参与合振动,振幅矢量合成图中就不但有原来透光部分,还有原来不透光部分。在2台阶位相光栅中原来不透光部分变成具有π位相的透明部分,在作矢量图时,此部分不起抵消作用反而加大,振幅矢量合成如图1c所示,其衍射效率为:

　　是振幅型的4倍。由上讨论可知,要继续提高效率,分矢量应尽量接近圆弧,假如把光栅制成4台阶位相型,则效率为:

　　8台阶时效率为:

　　因此,从上面的讨论可以看到位相量化的次数越多,效率越高,而这种量化结构是可以用微电子工艺来进行制作的,这是二元光学元件的特点所在。

　　3　制作工艺

　　要获得位相多次量化的二元光学元件,可以借助于现有的微电子制版、光刻、刻蚀等技术,其具体工艺流程(图2)如下:

　　3.1　掩模版的制作

　　首先根据需要的功能设计制作二元光学元件的模版,如3次量化需要准备3块模版。