專利名稱：納米光柵調制的計算機全息圖的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及計算全息圖，特別是一種納米光柵調制的計算機全息圖的制備方法，所述的納米光柵調制的計算機全息圖是指高密度光柵以納米精度的空間位置進行編碼調制以實現(xiàn)等效的位相調制的計算機全息圖，其中高密度光柵的周期和深度優(yōu)化設計和加工，能在一個級次上實現(xiàn)很高的衍射效率。位置編碼實現(xiàn)計算機全息圖的位相調制，因此能夠高效率實現(xiàn)計算機全息圖。
背景技術：
計算機全息圖是由計算機生成，獨立調制每個單元的振幅或位相分布，從而實現(xiàn)控制激光的期望分布的光學元件。計算機全息圖已經(jīng)成為非常重要的一個光學元件。通過傅里葉變換和優(yōu)化算法，幾乎任意復雜的光分布都可以用計算機全息圖從理論上得到。由于效率的原因，一般更關心位相型的計算機全息圖。任意位相，或叫連續(xù)位相的衍射光學元件可以由二元光學工藝制造。利用二元光學的工藝，位相的實現(xiàn)是通過刻蝕的深度來實現(xiàn)的。連續(xù)位相的物理實現(xiàn)意味著要連續(xù)精確控制刻蝕的位相深度，這是非常困難的。由于二元光學工藝的特點，比較容易得到二個臺階的位相，通過套刻工藝可以實現(xiàn)四個臺階，八個臺階等位相。有限的位相臺階數(shù)將降低最終計算機全息圖衍射效率。
以往的計算機全息圖還有一個重要的限制，就是加工線寬的寬度。一般來講，線寬越寬就越容易加工，寬的線寬可能遠遠大于所用的波長。這樣，其遠場的衍射能量就集中在中心零級的附近。采用寬的線寬的計算機全息圖會有多個衍射級次，多級的衍射分散了能量，因此，很難實現(xiàn)特別高效率的計算機全息圖。
當加工的線寬減少，例如，在一個微米左右，此時，由于套刻誤差的限制，多臺階的加工幾乎不可能。如何在線寬接近光波波長的情況下，實現(xiàn)高效率的計算機全息圖，是一個非常有意義的課題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是要克服上述在先技術的困難，提供一種納米光柵調制的計算機全息圖的制備方法，該計算機全息圖應該具有較高的衍射效率，給出一條在線寬接近光波波長的情況下，實現(xiàn)高效率的計算機全息圖的技術路線。
所述的納米光柵調制的計算機全息圖是指高密度光柵以納米精度的空間位置進行編碼調制以實現(xiàn)等效的位相調制的計算機全息圖，本發(fā)明的技術解決方案如下一種納米光柵調制計算機全息圖的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟①根據(jù)計算機全息圖的理論通過傅里葉變換方法對任意目標物體進行優(yōu)化計算得到其位相分布；②利用高密度光柵的位置移動方法對所述的位相分布進行位置編碼；③利用具有納米精度的電子束，加工出具有所述的位置編碼的高密度光柵模板；④根據(jù)高密度光柵模板，對光柵槽型進行優(yōu)化設計和加工，得到高效率的納米光柵調制計算機全息圖。
所述的高密度光柵的位置移動方法為沿光柵垂直方向上移動的位置編碼，或沿光柵水平方向上移動的位置編碼。
所述的高密度光柵系采用干法深刻蝕的透射式高密度光柵，或利用多層介質膜方法制備的反射式高密度光柵。
從目前的技術水平來看，電子束或者叫做聚焦電子束裝置，可以提供納米級的位置控制精度。這樣，就可以實現(xiàn)數(shù)字調制、位置編碼的計算機全息圖。這是一個全新的數(shù)字調制納米衍射光學元件的方向，它可以在原始高密度光柵的-1級次上產(chǎn)生完整的全息圖。這樣，至少在原理上，任意圖案的計算機全息圖都可以通過這個技術來實現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明納米光柵調制計算機全息圖的制備方法——垂直方向上的高密度光柵位置移動的編碼示意圖。
圖2是由位置編碼實現(xiàn)任意位相計算機全息圖的編碼原理圖。
圖3是本發(fā)明納米光柵調制計算機全息圖的制備方法——水平方向上的光柵位置移動的編碼示意4是納米位置調制的高密度光柵產(chǎn)生4×6陣列的實驗原理5是在高密度光柵的-1級次產(chǎn)生了4×6陣列的實驗結果。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
本發(fā)明技術的原理如圖1，圖2和圖3所示。圖1是本發(fā)明納米光柵調制計算機全息圖的制備方法——垂直方向上的高密度光柵位置移動的編碼示意圖。圖2是由位置編碼實現(xiàn)任意位相計算機全息圖的編碼原理圖。圖3是本發(fā)明納米光柵調制計算機全息圖的制備方法——水平方向上的光柵位置移動的編碼示意圖本發(fā)明的編碼方法是使基本光柵周期在不同的編碼位置上作相應的平移。平移的大小決定于所調制位置區(qū)域內位相的大小，高密度光柵的位置移動等效于位相的大小。任意位相編碼的高密度光柵調制的計算機全息圖可以通過不同位置的移動來實現(xiàn)。半周期位置的移動等效于π位相的調制，就可以實現(xiàn)0位相區(qū)和π位相區(qū)。通過位置編碼，可以實現(xiàn)任意位相的大小。
光柵的基本周期為d，深度為h，基本光柵周期d和深度h的選擇，通過嚴格耦合波的矢量衍射算法確定，使得-1級次上的衍射效率為最大，見圖4。有關高效率衍射光柵和光柵周期和深度的關系，見在先技術1，周常河和張妍妍的“高密度矩形深刻蝕石英光柵”，發(fā)明專利，申請?zhí)?00410017063.4。
高效率高密度光柵的加工可以采用干法刻蝕工藝，特別是石英光柵可以采用高密度等離子刻蝕來實現(xiàn)。在先技術2報道了高密度等離子刻蝕設備加工石英光柵的優(yōu)化刻蝕工藝條件。Shunquan Wang，Changhe Zhou，Huayi Ru，Yanyan Zhang，“Optimized condition for etching fused silica phase gratings withinductively coupled plasma technology”，Applied Optics 44，4429-4434(2005)。也就是說，深刻蝕工藝加工高效率的高密度石英光柵是完全可行的，理論上衍射效率可以達到95％。當然，利用多層介質膜方法可以制備高效率的反射式高密度光柵。反射式高密度光柵的衍射效率也可以做到95％左右。
本發(fā)明可以適用于透射式，也可以適用于反射式，編碼道理是完全一樣的。
這樣，通過位置的移動，就可以實現(xiàn)任意位相。由于位置的調制幾乎可以是任意控制，這樣就可以實現(xiàn)非常高的位相調制精度。也就是說，通過納米調制精度的光柵位移，可實現(xiàn)任意的位相的調制。
本發(fā)明利用先進的電子束直寫裝置，采用上述的高密度光柵的納米位置調制技術，實現(xiàn)了位相編碼的計算機全息圖，用以生成4×6的陣列。
其中4×6達曼光柵的原始數(shù)據(jù)來源于在先技術3，周常河等人于1995年在Applied Optics上發(fā)表的論文，“Numerical study of Dammann arrayilluminator”，Appl.Opt.34，5961-5969(1995)。雖然數(shù)據(jù)來自這篇論文，但其位相的實現(xiàn)方式采用的是圖1，圖2，圖3的編碼方式，也就是說，利用位置的編碼，實現(xiàn)位相的調制。
利用圖4的實驗裝置，在高密度光柵的-1級次上實現(xiàn)了高效率的計算機全息圖，4×6陣列的實驗結果如圖5所示。這個實驗充分地說明采用納米調制技術在高密度的-1級次上可以實現(xiàn)計算機全息圖，這一點是以往任何計算機全息圖所不具備的。采用這種位移編碼技術，可以實現(xiàn)幾乎所有的傳統(tǒng)的計算機全息圖。由于編碼位相的連續(xù)性，可以實現(xiàn)高效率的計算機全息圖。采用干法深刻蝕技術，可以將幾乎所有的能量轉移到計算機全息圖中。采用這個技術，以往全息圖所難以避免的零級譜點對加工誤差的敏感性，從理論上講，可以通過本發(fā)明的位置編碼技術完全消除，因此，可以實現(xiàn)以往全息圖所很難實現(xiàn)的高信噪比、高效率的衍射分布，這是數(shù)字編碼、納米衍射光學元件的新方向，其應用領域和范圍之廣，是可以想象的。
本發(fā)明納米光柵調制計算機全息圖的制備方法，包括如下步驟1、根據(jù)計算機全息圖的理論，例如，通過傅里葉變換方法，可以對任意目標物體，優(yōu)化計算得到如圖2所示的位相分布；2、將圖2所示的位相，利用本發(fā)明的高密度光柵的位置編碼方法，如圖1是垂直方向上的位置編碼，或如圖3是水平方向上的編碼，這樣，所有的位相(圖2)都可以通過圖1，圖3的位置編碼方法得到；3、經(jīng)過這樣位置編碼的高密度光柵通過電子束等具有納米精度的制造技術加工出模板。
4、根據(jù)高密度光柵模板，對光柵槽型進行優(yōu)化設計和加工，得到高效率的納米光柵調制計算機全息圖。如果用在透射式，就需要采用深刻蝕技術，加工出具有一定深度的高密度光柵，實現(xiàn)將零級能量轉移到-1級次中，實現(xiàn)高效率的計算機全息圖。如果用在反射式，則需要鍍一層反射膜，也可以實現(xiàn)相當高的衍射效率。
將加工好的光柵放在圖4的實驗裝置中，就會產(chǎn)生如圖5所示的實驗結果。
實驗表明，本發(fā)明采用高密度的光柵，大大地減少了衍射級次，例如，可以只有零級和負一級衍射的衍射分布。通過深刻蝕技術，可以幾乎將所有的零級能量轉移到-1級次中，理論上可以高達95％。由于位置編碼可以實現(xiàn)很高的位相精度，這樣，從原理上講，采用本發(fā)明可以將傳統(tǒng)的計算機全息圖的衍射效率提高到90％以上。這是一個巨大的進步。當然，本發(fā)明可以用于透射式，也可以用于反射式，其原理是完全一樣的。由于計算機全息圖的廣泛應用，本發(fā)明具有特別重要的實用意義。本發(fā)明要求特別昂貴的納米制造裝備，這使得本發(fā)明在光學防偽等最高要求的場合有應用前景。從本發(fā)明可以發(fā)展出一系列的先進編碼技術，可以用在光學信息處理的許多方面。
權利要求
1.一種納米光柵調制計算機全息圖的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟①根據(jù)計算機全息圖的理論通過傅里葉變換方法對任意目標物體進行優(yōu)化計算得到其位相分布；②利用高密度光柵的位置移動方法對所述的位相分布進行位置編碼；③利用具有納米精度的電子束，加工出具有所述的位置編碼的高密度光柵模板；④根據(jù)高密度光柵模板，對光柵槽型進行優(yōu)化設計和加工，得到高效率的納米光柵調制計算機全息圖。
2.根據(jù)權利要求1所述的納米光柵調制計算機全息圖的制備方法，其特征在于所述的高密度光柵的位置移動方法為沿光柵垂直方向上移動的位置編碼，或沿光柵水平方向上移動的位置編碼。
3.根據(jù)權利要求1所述的納米光柵調制計算機全息圖的制備方法，其特征在于所述的高密度光柵系采用干法深刻蝕的透射式高密度光柵，或利用多層介質膜方法制備的反射式高密度光柵。
全文摘要
一種納米光柵調制計算機全息圖的制備方法，包括如下步驟根據(jù)計算機全息圖的理論，通過傅里葉變換方法，對任意目標物體進行優(yōu)化計算得到其位相分布；利用高密度光柵的位置移動方法對所述的位相分布進行位置編碼；利用具有納米精度的電子束，加工出具有所述的位置編碼的高密度光柵模板；根據(jù)高密度光柵模板，對光柵槽型進行優(yōu)化設計和加工，得到高效率的納米光柵調制計算機全息圖。本發(fā)明的最大優(yōu)點是可以產(chǎn)生連續(xù)位相編碼的高效率的計算機全息圖，這是以往的計算機全息圖所無法實現(xiàn)的。本發(fā)明是數(shù)字納米衍射技術實現(xiàn)控制激光遠場模式的一個新的技術方向。
文檔編號G03H1/08GK1888985SQ20061002862
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月5日 優(yōu)先權日2006年7月5日
發(fā)明者周常河 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所