專利名稱：圓環(huán)形達(dá)曼光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光光束波面整形，特別是一種圓環(huán)形達(dá)曼光柵，實(shí)現(xiàn)激光束在遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑各級(jí)譜的等強(qiáng)度圓環(huán)形光強(qiáng)分布。該種光柵可用于光束整形、激光顯示、激光光束耦合、強(qiáng)激光能量集中和波前平頂化和其它改變遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑各級(jí)譜的各種儀器中。
背景技術(shù)：
通過(guò)各種途徑對(duì)于激光衍射斑各級(jí)光譜的幾何尺寸和能量修正是實(shí)用的課題。在光束耦合和激光波前平頂化等許多應(yīng)用場(chǎng)合均需要圓形或圓環(huán)形的衍射光強(qiáng)分布。
位相調(diào)制技術(shù)是通過(guò)改變衍射光線傳播截面的位相分布從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期衍射光強(qiáng)分布的技術(shù)。用于進(jìn)行調(diào)制的方法有多種，有固定位相分布的位相板，也有用光電晶體制成的可由電壓控制位相分布的調(diào)制片。因?yàn)檠苌湮幌喟骞饽艿睦眯首罡?，所以最常用?br> 所謂達(dá)曼光柵，是空間位置坐標(biāo)調(diào)制型二值位相光柵，利用特殊孔徑函數(shù)的衍射光柵產(chǎn)生一維或二維的矩形等光強(qiáng)陣列光束。達(dá)曼光柵可應(yīng)用于高效率的光束分束器或陣列照明器[Changhe Zhou(周常河)et al，Numerical study of Dammann arrayilluminators，Applied Optics 34，1995，p.p.5961-5969]。但達(dá)曼光柵只能實(shí)現(xiàn)一維點(diǎn)陣或二維矩形點(diǎn)陣的光強(qiáng)分布。采用達(dá)曼光柵并不能適合于這類需要圓形光強(qiáng)分部的應(yīng)用場(chǎng)合。
超分辨技術(shù)是一項(xiàng)被深入研究過(guò)的技術(shù)。超分辨技術(shù)的核心是通過(guò)改變?nèi)肷涔馔目讖酵高^(guò)率函數(shù)(振幅或位相調(diào)制)以實(shí)現(xiàn)小于愛(ài)里斑的中央衍射光斑。[參見(jiàn)Opt.Lett，T.R.M.Sales and G.M.Morris，22，pp.582-584，1997]。超分辨技術(shù)關(guān)心的是中心零級(jí)譜點(diǎn)的尺寸大小，而對(duì)非零譜點(diǎn)間能量的分布比例情況并不考慮。因此，以往的超分辨技術(shù)并不能提供多級(jí)譜等強(qiáng)度的圓環(huán)形強(qiáng)度分布。但超分辨處理的往往是圓形孔徑，因此，超分辨技術(shù)提供了有關(guān)孔徑和圓環(huán)孔徑光衍射的數(shù)學(xué)處理工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種圓環(huán)形達(dá)曼光柵，以實(shí)現(xiàn)激光束遠(yuǎn)場(chǎng)衍射斑的各級(jí)譜的等強(qiáng)度圓環(huán)形光強(qiáng)分布。
本發(fā)明技術(shù)解決方案如下
一種圓環(huán)形達(dá)曼光柵，它是一種在透明介質(zhì)上形成有多個(gè)同心環(huán)帶位相分布的位相板，該位相板的大小與衍射極限透鏡的孔徑相當(dāng)，所述環(huán)帶的位相分布為同一圓環(huán)內(nèi)的位相值是相同的；所說(shuō)相鄰環(huán)帶的位相值是0和φ相間的；各環(huán)帶位相板的歸一化半徑值需要優(yōu)化算出；本發(fā)明圓環(huán)形達(dá)曼光柵的制造方法包括下列步驟①根據(jù)工作需要選定需要制作的圓環(huán)形達(dá)曼光柵的階，環(huán)數(shù)；②根據(jù)衍射透鏡的孔徑和相應(yīng)的歸一化半徑計(jì)算出各環(huán)的半徑；③利用電子束直寫法制作母版；④通過(guò)接觸式光刻法，將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學(xué)玻璃上；⑤利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕技術(shù)，將圖案刻蝕到光學(xué)玻璃上。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明就是將超分辨技術(shù)的圓孔衍射數(shù)學(xué)處理工具和傳統(tǒng)的達(dá)曼光柵結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)圓環(huán)譜的等強(qiáng)度光強(qiáng)分布，這是傳統(tǒng)的達(dá)曼光柵所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這也是傳統(tǒng)的超分辨技術(shù)所不研究的內(nèi)容。本發(fā)明圓環(huán)型達(dá)曼光柵就是通過(guò)控制各個(gè)圓環(huán)的內(nèi)外半徑值和位相值，可以使通過(guò)其的準(zhǔn)直平行激光在遠(yuǎn)場(chǎng)形成中心對(duì)稱的等強(qiáng)度多級(jí)圓環(huán)譜的光場(chǎng)分布。


圖1是本發(fā)明圓環(huán)型達(dá)曼光柵一個(gè)具體實(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圓環(huán)型達(dá)曼光柵的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置。
圖3是兩環(huán)零階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
圖4是兩環(huán)一階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
圖5是三環(huán)二階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
圖6是四環(huán)三階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
圖7是五環(huán)四階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
圖8是六環(huán)五階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
圖9是九環(huán)八階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
具體實(shí)施方式
圖1是本發(fā)明圓環(huán)型達(dá)曼光柵實(shí)施例之一的具有三環(huán)的達(dá)曼光柵結(jié)構(gòu)的示意圖，各內(nèi)環(huán)帶半徑用a，b表示，各環(huán)位相用φ1，φ2，φ3表示，外環(huán)半徑歸一化為1。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明圓環(huán)型達(dá)曼光柵是一種在透明介質(zhì)上形成的多個(gè)同心圓環(huán)位相分布的位相板，同一環(huán)帶內(nèi)的位相值相同。如果所有相鄰圓環(huán)之間的位相只有兩個(gè)值，就叫做二值位相圓環(huán)型達(dá)曼光柵。如果各個(gè)圓環(huán)之間位相是多值的，就叫做多值位相圓環(huán)型達(dá)曼光柵。
在圓環(huán)型達(dá)曼光柵中，最常用和易于加工的是環(huán)帶型的二值位相板(binaryphase-only mask)。所謂環(huán)帶是指位相板的位相分布是同心圓環(huán)，二值是指任意點(diǎn)位相值是0或Φ，即相位沿徑向分布周期為(0，Φ)類型。
圓環(huán)型達(dá)曼光柵描述參數(shù)有1)圓環(huán)型達(dá)曼光柵的階(M)準(zhǔn)直的相干光通過(guò)圓環(huán)型達(dá)曼光柵所產(chǎn)生的衍射光環(huán)的環(huán)數(shù)稱為達(dá)曼光柵的階。具體來(lái)說(shuō)，零階環(huán)形即均勻圓餅光強(qiáng)分布的衍射場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)波前平頂化，多階環(huán)形達(dá)曼光柵是在中心零級(jí)譜點(diǎn)外實(shí)現(xiàn)了多個(gè)等強(qiáng)度衍射環(huán)。
2)圓環(huán)型達(dá)曼光柵的環(huán)(N)即從中心到最外圈的位相或振幅變化的次數(shù)。
3)衍射效率定義為E=Σi=0MIi/Itotal----(1)]]>其中Ii是均勻環(huán)形衍射場(chǎng)第i環(huán)的光強(qiáng)峰值，Itotal為所有衍射光能量的總和。
所以上式為衍射到均勻各級(jí)衍射環(huán)內(nèi)的光能占所有衍射光能的比值。
4)均勻度u=Σi=1M(Ii-Iav)2/Σi=0MIi-----(2)]]>在公式中，Iav為平均光強(qiáng)，定義為Iav=1M+1Σi=0MIi---(3)]]>由衍射光學(xué)的結(jié)論可知，給定環(huán)形位相板，其遠(yuǎn)場(chǎng)衍射場(chǎng)光場(chǎng)振幅分布為ψ(ξ)=Σj=1Nexp(iφj)[αj22J1(αjξ)/αjξ-αj-122J1(αj-1ξ)/αj-1ξ]----(4)]]>式中αj為第j環(huán)帶半徑，取環(huán)帶位相為二值0、φ0，則遠(yuǎn)場(chǎng)衍射場(chǎng)場(chǎng)振幅可改寫為
ψ(ξ)=2J1(ξ)/ξ-[1-exp(iφ0)](-1)N+1Σj=1N-1(-1)j×αj22J1(αjξ)/αjξ----(5)]]>I＝ψ2(ξ)(6)本發(fā)明給出了不同階衍射環(huán)的各個(gè)圓環(huán)型達(dá)曼光柵的優(yōu)化參數(shù)。計(jì)算中采用的優(yōu)化指標(biāo)為u≤0.1，表示衍射各級(jí)譜在峰值光強(qiáng)相差為10％以內(nèi)，優(yōu)化位相環(huán)的各個(gè)半徑值。利用公式(5)搜索出了二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)一直到九環(huán)的位相版符合條件的最佳各環(huán)半徑值，其優(yōu)化數(shù)值結(jié)果如表1所示。
表1

本發(fā)明的圓環(huán)型達(dá)曼光柵在實(shí)際的應(yīng)用如圖2所示。1是準(zhǔn)直激光器，2是聚焦透鏡，3是本發(fā)明的圓環(huán)型達(dá)曼光柵，4是CCD光電探測(cè)器。從準(zhǔn)直激光1發(fā)出的光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡2和圓環(huán)型達(dá)曼光柵3，在聚焦透鏡2的焦平面上產(chǎn)生多級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)度相等的圓環(huán)分布。這樣的圓環(huán)形光強(qiáng)度分布可以由放在聚焦透鏡2的焦面上的CCD探測(cè)器4探測(cè)到并證實(shí)之。
實(shí)驗(yàn)證明加入所設(shè)計(jì)的圓環(huán)型達(dá)曼光柵位相板后，確實(shí)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑各瓣的等峰值光強(qiáng)分布的環(huán)形衍射場(chǎng)。這說(shuō)明本發(fā)明可用于光束整形、激光顯示、激光光束耦合、強(qiáng)激光能量集中和波前平頂化和其它改變遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑主瓣的各種儀器中。
圖3是兩環(huán)零階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。圖中細(xì)實(shí)線為傳統(tǒng)意義的愛(ài)里斑光強(qiáng)分布，粗實(shí)線為零階圓環(huán)型達(dá)曼光柵產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布，它實(shí)現(xiàn)了中心平頂化的激光光強(qiáng)分布。其中E為衍射效率。
圖4是兩環(huán)一階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，細(xì)實(shí)線為傳統(tǒng)意義的愛(ài)里斑光強(qiáng)分布，粗實(shí)線為一階達(dá)曼光柵產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布。其結(jié)果為一個(gè)中心圓斑和一個(gè)同心圓環(huán)的等強(qiáng)度光場(chǎng)分布。其中E為衍射效率。
圖5是三環(huán)二階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，細(xì)實(shí)線為傳統(tǒng)意義的愛(ài)里斑光強(qiáng)分布，粗實(shí)線為一階達(dá)曼光柵產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布。其結(jié)果為一個(gè)中心圓斑和兩個(gè)同心圓環(huán)的等強(qiáng)度光場(chǎng)分布。其中E為衍射效率。
圖6是四環(huán)三階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，細(xì)實(shí)線為傳統(tǒng)意義的愛(ài)里斑光強(qiáng)分布，粗實(shí)線為一階達(dá)曼光柵產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布。其結(jié)果為一個(gè)中心圓斑和三個(gè)同心圓環(huán)的等強(qiáng)度光場(chǎng)分布。其中E為衍射效率。
圖7是五環(huán)四階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，細(xì)實(shí)線為傳統(tǒng)意義的愛(ài)里斑光強(qiáng)分布，粗實(shí)線為一階達(dá)曼光柵產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布。其結(jié)果為一個(gè)中心圓斑和四個(gè)同心圓環(huán)的等強(qiáng)度光場(chǎng)分布。其中E為衍射效率。
圖8是六環(huán)五階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，細(xì)實(shí)線為傳統(tǒng)意義的愛(ài)里斑光強(qiáng)分布，粗實(shí)線為一階達(dá)曼光柵產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布。其結(jié)果為一個(gè)中心圓斑和五個(gè)同心圓環(huán)的等強(qiáng)度光場(chǎng)分布。其中E為衍射效率。
圖9是九環(huán)八階圓環(huán)型達(dá)曼光柵光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，細(xì)實(shí)線為傳統(tǒng)意義的愛(ài)里斑光強(qiáng)分布，粗實(shí)線為一階達(dá)曼光柵產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布。其結(jié)果為一個(gè)中心圓斑和八個(gè)同心圓環(huán)的等強(qiáng)度光場(chǎng)分布。其中E為衍射效率。
下面以一個(gè)五環(huán)四階的圓環(huán)型達(dá)曼光柵為例，描述其制作方法。
1、根據(jù)工作需要確定要制作五環(huán)四階的圓環(huán)型達(dá)曼光柵；2、射極限透鏡的孔徑為10毫米，計(jì)算出各環(huán)的半徑；表1中為歸一化數(shù)據(jù)，實(shí)際中應(yīng)根據(jù)需要換算出具體數(shù)據(jù)。假設(shè)透鏡的孔徑為1毫米，則各環(huán)半徑為1.546，3，394，4.880，7.870毫米。
3、圓環(huán)型位相光柵，是利用大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)和平面光刻工藝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，首先，利用電子束直寫法制作出母版；4、通過(guò)接觸式光刻法，母版圖案轉(zhuǎn)移到了涂有光刻膠的光學(xué)玻璃上。所采用的光刻膠為Shipley s1818，厚度為1.8μm。接觸曝光的復(fù)制誤差小于0.5μm。圓環(huán)形位相光柵各參數(shù)在前文中已給出。最后，5、利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕技術(shù)，將圖案刻蝕到光學(xué)玻璃中。所采用的刻蝕氣體為三氟甲烷(CHF3)，流量為30SCCM，RF功率500W，偏置功率200W，對(duì)石英基底的刻蝕速率為0.077μm/min。對(duì)應(yīng)于0.650μm波長(zhǎng)，光學(xué)玻璃的折射率為1.521，因而π位相對(duì)應(yīng)深度為0.608μm。利用泰勒輪廓儀來(lái)測(cè)量環(huán)形位相光柵的深度為0.610μm。按照?qǐng)D2的光路示意圖，布置好測(cè)量光路。光源采用半導(dǎo)體激光器，其工作波長(zhǎng)是650nm。然后擴(kuò)束、準(zhǔn)直。在實(shí)驗(yàn)中所用的透鏡直徑為10mm，后放置位相版，然后在聚焦光斑處放置CCD探測(cè)器，由此可觀測(cè)出各級(jí)光斑的大小。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明了理論計(jì)算的正確性。
權(quán)利要求1.種圓環(huán)形達(dá)曼光柵，其特征在于它是一種在透明介質(zhì)上形成有多個(gè)同心環(huán)帶位相分布的位相板，該位相板的大小與衍射極限透鏡的孔徑相當(dāng)，所述環(huán)帶的位相分布為同一圓環(huán)內(nèi)的位相值是相同的。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的圓環(huán)形的達(dá)曼光柵，其特征在于所述相鄰環(huán)帶的位相值是0和φ相間的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓環(huán)形達(dá)曼光柵，其特征在于各環(huán)帶位相板的歸一化半徑值分別為
專利摘要一種圓環(huán)形達(dá)曼光柵，其特點(diǎn)是一種在透明介質(zhì)上形成有多個(gè)同心環(huán)帶位相分布的位相板，該位相板的大小與衍射極限透鏡的孔徑相當(dāng)，所述環(huán)帶的位相分布為同一圓環(huán)內(nèi)的位相值是相同的，所述相鄰環(huán)帶的位相值是0和φ相間的。本實(shí)用新型可對(duì)激光束遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑各級(jí)譜光強(qiáng)度進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)特定各級(jí)譜的等強(qiáng)度圓環(huán)形光強(qiáng)分布。本實(shí)用新型給出了優(yōu)化后能滿足激光遠(yuǎn)場(chǎng)衍射各級(jí)譜在峰值強(qiáng)度差在10％以內(nèi)要求下的位相板制造參數(shù)，可用于光束整形、激光顯示、激光光束耦合、強(qiáng)激光能量集中和波前平頂化和其它需要多級(jí)圓環(huán)形遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑的各種儀器中。
文檔編號(hào)G02B5/18GK2639909SQ0322847
公開(kāi)日2004年9月8日 申請(qǐng)日期2003年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
發(fā)明者周常河, 賈佳, 劉立人 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所