本發(fā)明涉及光場調(diào)控的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙折射材料的光場調(diào)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

衍射光學(xué)元件是一種相位調(diào)制器件，它主要是通過調(diào)節(jié)其中結(jié)構(gòu)的高度來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的。而其中的臺(tái)階高度是通過計(jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)光場計(jì)算設(shè)計(jì)獲得的，然后通過光刻技術(shù)制備而成。衍射光學(xué)元件可以用來實(shí)現(xiàn)全息成像，聚焦，及光束分割等功能。它有很多傳統(tǒng)光學(xué)元件所不具備的功能，比如說小型化，集成化等。

在傳統(tǒng)的衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)將單波長的光在不同的位置處成像，或者多個(gè)波長的光在同一個(gè)位置處成像。但是，當(dāng)入射波長是固定的，那么所獲得相位調(diào)制也是單一的，也就是說只能在固定位置處成單獨(dú)的像。這種成像方式以及相位調(diào)制方式過于簡單，難以滿足一些特殊應(yīng)用的要求。鑒于這種情況，研究者們做了一系列的工作來優(yōu)化衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)，以使得在單個(gè)波長的時(shí)候能夠獲得多種相位調(diào)制量。因此偏振調(diào)制被引入到衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)中。在1995年，Xu等人設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同的相位調(diào)制量以及水平和垂直方向上不同的像被同時(shí)獲得，但是其衍射效率非常低。1997年，Nieuborg等人報(bào)導(dǎo)了一種采用系數(shù)匹配材料設(shè)計(jì)而獲得的衍射元件，提高了其衍射效率，但是系統(tǒng)中包含多種微結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且矯正誤差很難解決。

2002年，Yu等人設(shè)計(jì)并制備了一種相位偏振復(fù)合型衍射元件，其中包含了一維和二維的亞波長周期結(jié)構(gòu)，但是其中只是兩臺(tái)階的結(jié)構(gòu)，效率較低。在2004年，Mark等人報(bào)導(dǎo)了一種二維相位選擇型衍射元件，其中包含了任意多個(gè)相位臺(tái)階數(shù)。這種方法極大的提高了衍射效率。然而，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且結(jié)構(gòu)中的每個(gè)單元中都包含周期性的褶皺，因此非常難以保證其刻蝕深度的精度，對(duì)其成像結(jié)構(gòu)造成了極大的影響。隨著結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，在2006年，Wen等人用手性材料來調(diào)節(jié)光的偏振態(tài)，這樣單個(gè)波長在同一位置處可以獲得不用的像。但是像素的大小只有幾百納米，這種結(jié)構(gòu)只能用電子束直寫技術(shù)來制備，制作成本高，效率低。

因此，如何能夠設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單，制備方便，衍射效率高的結(jié)構(gòu)成為急待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于雙折射材料的光場調(diào)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡單，制備方便，衍射效率高。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于雙折射材料的光場調(diào)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該方法的設(shè)計(jì)過程包含以下幾個(gè)步驟：

步驟(1)獲得目標(biāo)光場分布；

步驟(2)將目標(biāo)光場分布進(jìn)行分別為兩個(gè)相位分布Φ1和Φ2；

步驟(3)選擇一種雙折射材料，其對(duì)o光和e光的折射率分別為n_e和n_o；

步驟(4)將整個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域分為(N,N)個(gè)像素；

步驟(5)選擇第(m,n)個(gè)像素點(diǎn)，其中1≤m≤N,1≤n≤N，獲得兩個(gè)相位分布中該像素點(diǎn)的相位值Φ1(m,n)和Φ2(m,n)；

步驟(6)根據(jù)該點(diǎn)的相位值Φ1(m,n)計(jì)算獲得該點(diǎn)的初始高度值h1(m,n)；

步驟(7)在h1(m,n)上施加一個(gè)高度調(diào)制量Δh(m,n)，獲得此時(shí)的高度為h1'(m,n)；

步驟(8)利用h1'(m,n)，計(jì)算其分別對(duì)應(yīng)的o光和e光的相位調(diào)制量，獲得兩個(gè)相位調(diào)制量為Φ₁'(m,n)和Φ₂'(m,n)；

步驟(9)將Φ₁'(m,n)和Φ₂'(m,n)分別與目標(biāo)相位調(diào)制量Φ₁(m,n)和Φ₂(m,n)相比較取絕對(duì)差值，獲得等效相位調(diào)制量差ΔΦ₁'(m,n)和ΔΦ₂'(m,n)；

步驟(10)計(jì)算ΔΦ₁'(m,n)和ΔΦ₂'(m,n)的均方根值RMS(m,n)；

步驟(11)改變高度調(diào)制量Δh(m,n)，重復(fù)(7)-(10)步驟，直到獲得最小的RMS(m,n)；

步驟(12)選擇此時(shí)的h1'(m,n)為該像素處的高度值；

步驟(13)選擇下一個(gè)像素點(diǎn)，重復(fù)(5)-(12)步驟，獲得所有像素點(diǎn)(N,N)處對(duì)應(yīng)的高度值；

步驟(14)設(shè)計(jì)完成。

其中，在步驟(4)中，每個(gè)像素點(diǎn)的大小由實(shí)際可以加工的最小特征尺寸決定，通?？梢詾閹孜⒚?。

其中，在步驟(7)和步驟(11)中，所選擇的高度調(diào)制量Δh1(m,n)的大小需在實(shí)際可加工的工藝范圍內(nèi)來選擇。

其中，在步驟(9)中，所謂的等效相位差是指將相位差進(jìn)行2π折疊之后的值；

本發(fā)明的有益效果在于：利用該方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光場偏振態(tài)和振幅的調(diào)控，不需要復(fù)雜的光路，并且用一片結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的不同相位調(diào)制以實(shí)現(xiàn)光場的目標(biāo)偏振態(tài)和振幅分布，同時(shí)衍射效率高。該方法中的相位片制作簡單，可通過傳統(tǒng)的加工工藝制作得到。該方法對(duì)入射光偏振態(tài)具有敏感性，當(dāng)入射光偏振態(tài)不同時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生不同的光場。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中具體設(shè)計(jì)過程流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中目標(biāo)光場分布示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中入射光方向與x軸夾角為0°時(shí)，應(yīng)該獲得的光場分布；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中入射光方向與x軸夾角為90°時(shí)，應(yīng)該獲得的光場分布；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中步驟2中所述的將目標(biāo)光場分割所獲得的相位分布1；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中步驟2中所述的將目標(biāo)光場分割所獲得的相位分布2；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中步驟13中所述的高度分布。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。

具體實(shí)施例中一種基于雙折射材料的光場調(diào)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，如圖1所示。該方法具體步驟如下：

步驟(1)該設(shè)計(jì)過程流程圖如圖1所示，首先，獲得目標(biāo)光場分布，波長為632nm，成像距離為0.7m。該光場分布中，當(dāng)入射光偏振方向與x軸夾角為45°時(shí)，出射光場為一均勻分布的圓形，如圖2所示，當(dāng)入射光偏振方向與x軸夾角為0°時(shí)，應(yīng)該獲得的光場分布如圖3所示，當(dāng)入射光偏振方向與x軸夾角為90°時(shí)，應(yīng)該獲得的光場分布如圖4；

步驟(2)將上述目標(biāo)光場進(jìn)行分割，獲得兩個(gè)對(duì)應(yīng)的相位分布，如圖5和圖6所示；

步驟(3)選擇雙折射材料釩酸釔，其對(duì)o光和e光的折射率no和ne分別為1.9929和2.2154；

步驟(4)將整個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域分成(1024,1024)個(gè)像素點(diǎn)；每個(gè)像素點(diǎn)大小為8μm；

步驟(5)選擇第一個(gè)像素點(diǎn)，此時(shí)相位分布一中對(duì)應(yīng)的相位調(diào)制量為Φ₁＝1.0824π，相位分布二中對(duì)應(yīng)的相位調(diào)制量為Φ2＝1.7176π；

步驟(6)首先針對(duì)o光來說，利用其折射率1.9929，計(jì)算可得對(duì)應(yīng)的光學(xué)高度h₁為345.5nm；

步驟(7)為h₁加上相位調(diào)制量Δh，Δh＝0.02×n，其中n為選擇次數(shù)，但是需保證Δh范圍在(0～5)μm之間每間隔0.02μm進(jìn)行選擇，得到h₁'；

步驟(8)對(duì)每個(gè)h₁'，分別計(jì)算對(duì)應(yīng)o光和e光的相位調(diào)制量Φ1'＝1.0624π和Φ2'＝1.7487；

步驟(9)計(jì)算獲得Φ₁'和Φ₂'和理論相位調(diào)制量Φ₁和Φ₂的差值，并進(jìn)行2π折疊，獲得等效相位差ΔΦ₁'和ΔΦ₂'；

步驟(10)計(jì)算ΔΦ₁'和ΔΦ₂'的均方根值RMS；

步驟(11)重復(fù)步驟(7)-(10)，得到最小的RMS值為0.0368，以此時(shí)的Δh值作為最終值，此時(shí)的Δh值為630.5nm；

步驟(12)選擇此時(shí)的h1'為此像素處的高度值，此時(shí)其高度為976nm；

步驟(13)選擇第二個(gè)像素點(diǎn)，重復(fù)步驟(4)-(8)，直到(N,N)個(gè)像素點(diǎn)計(jì)算完畢，獲得所有像素點(diǎn)的高度值，此時(shí)整個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的高度分布如圖7所示，其中的高度最高值為2.657μm；

步驟(14)設(shè)計(jì)完成。