1、衍射光學技術及其應用,譚峭峰,清華大學 精儀系 光電工程研究所,內容： 什么是衍射光學，優(yōu)勢何在？ 如何設計衍射光學器件？ 如何加工衍射光學器件？ 衍射光學器件的應用,光線：折射、反射,傳播方向由斯涅耳公式確定 能量分配由菲涅耳公式確定,薄透鏡成像,電磁波：衍射、干涉、偏振等,楊氏雙縫干涉實驗,單縫衍射實驗,信息,信息的獲取 信息的傳輸 信息的存儲 信息的處理 信息的顯示 ,儀器儀表,光學儀器儀表,激光 1960年,1、什么是衍射光學？,光學技術與儀器的發(fā)展趨勢： 小(微)型化、陣列化、集成化。 傳統(tǒng)的光學器件對此卻“心有余而力不足”，供需矛盾就要求在技術上要有所創(chuàng)新與突破。,微光學,微光學兩

2、個主要分支: 基于折射原理的梯度折射率光學 基于光波衍射原理的衍射(二元)光學,1987年，美國MIT林肯實驗室Veldkamp領導的研究組在設計新型傳感系統(tǒng)中，率先提出了“二元光學”的概念。 二元光學元件因其在實現光波變換上所具有的許多卓越的、傳統(tǒng)光學難以具備的功能，而有利于促進光學系統(tǒng)實現微型化、陣列化和集成化，開辟了光學領域的新視野。,衍射光學定義：基于光的衍射理論，利用計算機輔助設計、并用大規(guī)模集成電路制作工藝，在基片上(或傳統(tǒng)光學器件表面)刻蝕產生兩個或多個臺階深度的浮雕結構，它是一種純位相衍射光學元件。,折射透鏡到衍射光學器件浮雕結構的演變,掩模 曝光 顯影 刻蝕,二元！,衍射理論

3、：標量衍射理論和矢量衍射理論。 特征尺寸波長，標量衍射理論； 特征尺寸波長，矢量衍射理論。,菲涅耳衍射： 夫瑯和費衍射：,高衍射效率 獨特的色散性能 更多的設計自由度 寬廣的材料選擇性 特殊的光學功能,衍射光學的優(yōu)點：,高衍射效率,L：位相臺階數,312,折衍混合物鏡,傳統(tǒng)物鏡,獨特的色散性能,寬廣的材料可選性 只要能刻蝕的，都能作為基底進行衍射光學器件的刻蝕。 光學材料、光子學材料、光電材料、電子學材料 熔融石英、硅、SiO2, SiON, Si3N4 玻璃 glass 塑料 plastic 丙烯酸 acrylic 環(huán)氧 epoxy 聚酰胺 polyamide 聚碳酸酯 polycarbon

4、ate 樹脂resin ZnS,鋁 aluminum 鉻 chromium 銅 copper 鍺 germanium 砷化鍺 germanium arsenide 金 gold 鎳 nickel,更多的設計自由度 臺階位置、寬度、深度、形狀等。,Micro lens multicolor dispersive beam collimator aspheric generation,Multi focal chromatic correction beam diverter aspheric correction,beam steerer,scanner polarization rotator

5、 beam multiplexer wavefront sampler,特殊的光學功能,2、如何設計衍射光學器件？,標量衍射理論： 菲涅耳衍射與夫瑯和費衍射 空間線性變換系統(tǒng)中的輸入輸出變換問題,解的存在性和唯一性？,？,位相恢復問題：已知光學系統(tǒng)輸入面光場振幅與位相分布，如何計算衍射光學器件的位相分布以正確調制入射光場，高精度地給出預期輸出振幅分布，實現所需功能。,衍射光學實現光束勻滑,DOE透過率函數,不能解析求解,轉化成優(yōu)化問題,許多優(yōu)化算法被提出來進行衍射光學器件的設計：,a. 遺傳算法(GA) b. 模擬退火算法(SA) c. Gerchberg-Saxton算法(GS) d. 楊-

6、顧算法(YG) e. 最速下降算法 f. 爬山法 g. 全局局部聯合搜索算法(GLUSA) h. 爬山模擬退火混合算法 ,全局搜索算法,局部搜索算法,混合算法,全局優(yōu)化潛力優(yōu)化效率不高,優(yōu)化效率高,最早的實用算法是GS算法，于1971年由Gerchberg和Saxton首先提出。,GS算法的不足與改進：,不足: 包含許多位相突變點 PMA、緩變的理想輸出函數等,引入局部替代函數獲得連續(xù)位相分布,不足: 局部搜索算法輸入輸出、ST等 對初始值敏感、易陷入局部極值點、設計性能不好,ST改進算法設計結果,YG算法：,更普適的算法 20世紀80年代初 中科院物理所 楊國楨、顧本源,矩陣迭代求解公式,Y

7、G算法的不足與改進：,與GS算法類似,ST改進,難以兼顧位相的緩變與光束勻滑性能的優(yōu)良,SA算法借鑒不可逆動力學的思想，是一種基于蒙特卡洛迭代求解法的啟發(fā)式隨機優(yōu)化方法。它不同于局部搜索之處在于以一定的概率選擇鄰域中評價函數值大的狀態(tài)，從理論上講，是一種全局優(yōu)化算法。,SA算法：,爬山模擬退火混合算法：,位相連續(xù)性得到保證,局部搜索方向 (爬山法): + 全局優(yōu)化 (SA)：以一定概率跳出局部極值點,優(yōu)化的位相分布：,特征尺寸波長量級或亞波長量級 矢量衍射理論基于電磁場理論，在適當的邊界條件上嚴格地求解麥克斯韋方程組。已經發(fā)展了幾種理論，如耦合波、時域有限差分法、邊界元法、模態(tài)法等。但總的來說

8、，這些理論方法設計衍射光學器件都要進行復雜的且費時的計算機運算，難以進行優(yōu)化設計，常用來分析器件性能。 有待發(fā)展實用而有效的設計理論。,矢量衍射理論,多臺階位相器件的制作 連續(xù)位相器件的制作 復制工藝 刻蝕輪廓測量,3、如何制造衍射光學器件？,多臺階位相衍射光學器件 減法工藝、加法工藝,掩模 曝光 顯影 刻蝕,掩模的生成：圖形發(fā)生器、紅膜圖精縮等,電子束圖形發(fā)生器 0.1m 光學圖形發(fā)生器： 0.5 m 紅膜精縮： 1.0 m,GCA PG3600F 光學圖形發(fā)生器,光刻膠的涂布：甩膠、拉膠等 關鍵：涂布既要均勻，又要可控制厚度,張力提拉,離心力,圖形轉印：接觸式、投影式、分布投影式。,接觸式

9、光刻是將掩模板和涂有光刻膠的基片接觸曝光。 投影式光刻是將掩模圖形1:1成象于基片表面曝光。,分步投影光刻：用紫外光將掩模圖形在基片上進行分步投影精縮。,刻蝕：濕法刻蝕、干法刻蝕。,濕法刻蝕即化學腐蝕屬各向同性刻蝕，刻蝕邊緣多是園弧形，精度低，不宜刻蝕小于3m的圖形。,干法刻蝕是在氣相中將要刻蝕部分變成揮發(fā)物質而被清除，它包括離子刻蝕(IBE)、反應離子刻蝕(RIE)和反應離子束刻蝕(RIBE)等工藝方法，均屬各相異性刻蝕。其刻蝕速率高，具有良好的方向性和選擇比，分辨率可高達10nm。,連續(xù)位相BOE,無掩膜方法 激光直寫、電子束直寫 有掩膜方法 灰階掩膜 移動掩膜或旋轉掩膜等,臺階位相衍射光

10、學元件的制作需要多次重復掩模圖形轉印和刻蝕(或薄膜淀積)過程，加工環(huán)節(jié)多、周期長、且對準精度難以控制。 連續(xù)位相衍射光學器件：一次成形且無離散化近似。,直寫法,電子束：最小水平線寬0.5 m,輪廓深度難以控制和刻蝕圖形變形問題,灰階掩膜法,衍射光學器件的刻蝕深度與刻蝕時間、曝光強度成正比。若掩膜板的光強透過率是連續(xù)分布，轉換并刻蝕在基片上的位相深度就是連續(xù)分布的。,刻蝕深度,刻蝕時間 曝光強度,移動掩膜與旋轉掩膜,刻蝕深度 圓心角,h,刻蝕深度 h,復制工藝,衍射光學器件母板制作成本較高。發(fā)展復制技術是成本、推廣應用的關鍵。,鑄造法 (Casting) 模壓法(Embossing) 注入模壓法

11、(Injection molding),在光刻熱熔成型以及電鑄復制得到的微透鏡陣列鎳板基礎上，采用靜態(tài)鑄塑技術，得到了高質量的PMMA微透鏡陣列復制精度優(yōu)于0.5m。,刻蝕輪廓測量 微觀形貌,臺階儀,掃描電鏡 SEM,掃描探針顯微鏡 SPM,原子力顯微鏡 AFM,衍射光學器件已廣泛用于光學傳感、光通信、光計算、數據存儲、激光醫(yī)學、娛樂消費以及其他特殊系統(tǒng)中。,折衍混合物鏡 光束勻滑 光束準直 分束與合束 光學圖象處理,微光譜儀 光束掃描 光盤讀數頭 激光熱處理 亞波長結構,4、衍射光學器件的應用,1) 照相機物鏡,衍射光學色散、熱膨脹等特性與折射器件具有互補性， 校正折射透鏡的色差與熱差 光學

12、系統(tǒng)的小型化與輕量化,2) 光束勻滑,神光裝置的慣性約束聚變(ICF)靶場系統(tǒng),定性描述衍射光學器件的束勻滑功能,a.無器件 焦點 b.焦前 c.焦點 d.焦后,100mm 1.064m LD,3) 消象散,半導體激光器(LD)存在非對稱激活通道，發(fā)出的光具有較大的發(fā)散角且有像散，一般平行及垂直方向的發(fā)散角分別在y=1030、x =3060，需預先校正為準直性好的圓形光束才能實際應用。,4) 長焦深,由于系統(tǒng)的加工制造誤差或裝配誤差，或被檢測物的表面不平度等原因導致聚焦光斑的變化，從而影響工作精度，因此要求掃描光束沿光軸具有一定的焦深。,5) 光束準直,許多大型乃至巨型的機電設備的安裝及測量需

13、要一條準確的長距離光學基準線。 基于無衍射光束原理設計的衍射光學器件可以提供此基準線，它可將激光器發(fā)出的光改造為準直性非常好的光束，準直范圍達幾十米。,6) 分束,在光纖通信、光計算、光盤存儲、光電技術、圖象處理及精密測試等現代科技的許多領域中，越來越多地要求能將一信息(圖象或數據)的輸入變換成多個信息的輸出，因此需要光學分束器件。Dammann光柵、Talbot光柵、微透鏡陣列等均能實現上述功能。,Dammann光柵: 具有特殊孔徑函數的二值相位光柵, 其對入射光波產生的夫瑯和費衍射圖樣是一定點陣數目的等光強光斑，完全避免了一般振幅光柵因sinc函數強度包絡所引起的譜點光強的不均勻分布。 設

14、計思路：相位取二值， 但周期內空間坐標(刻槽數目及槽寬)被任意調制或僅相位調制，或空間坐標與相位同時被調制。,Laser,Spacial,Filter,Sample,Dammann,Grating,Lens,Lens,Filter,CCD,Paralell Confocal Detection System Based on Dammann Gratings,Confocal,Pinhole Array,Objective,Dichroic,Dammann光柵的應用：并行共焦顯微鏡,Dammann光柵的應用：激光加工、激光熱處理,劃片切割,激光熱處理,Dammann光柵的應用：多通道并行處理,

15、利用多個特征信息判識物體，提高系統(tǒng)的識別率,Talbot光柵: 基于Talbot自成像原理，設計一個有特定相位分布的相位光柵，在單色平面波的照明下，使某些特定位置上的菲涅耳象變成一個振幅光柵，即光斑陣列。,Talbot距：,多臺階Talbot光柵:,微透鏡陣列: 連續(xù)位相或多階位相菲涅耳波帶透鏡陣列。,微透鏡陣列的應用：多重成像、波前檢測,微透鏡陣列的應用：與紅外焦平面探測器耦合,7) 光束迭加,8)二元光學視網膜(BOR: Binary optical retina),紋理是圖象視覺表面的基本特征之一，包含了與物體形狀、方位和深度等密切相關的亮度統(tǒng)計信息和空間分布信息。 對輸入圖象提取不同頻

16、帶和取向的紋理特征信息，需要的光學器件包括Dammann光柵、濾波器陣列、棱鏡陣列等，實現光學并行帶通濾波，與視覺系統(tǒng)初級階段的多通道濾波理論相似。,二元光學器件，使其同時集成棱鏡、濾波器、達曼光柵等功能，即做成了一個“二元光學視網膜”。,9)衍射超分辨器件,CD DVD DVR Wavelength： 780nm 650nm 400nm NA： 0.45 0.60 0.85 Capacity： 650MB 4.7GB 22GB,光盤的變遷：,愛里(Airy)斑逐漸變小。,d,比愛里斑還要??？,衍射超分辨器件！,在一定超分辨能力下，保證主瓣光強最大！,最優(yōu)解,將二次約束線性化,線性規(guī)劃理論,泛函分析,10)亞波長器件,有限時域差分方法：FDTD(Finite-Difference Time-Domain Method),3-D,分析微透