任意结构衍射光学元件的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种任意结构衍射光学元件的制作方法，包括以下步骤：通过解析分别得到输入面P1和输入面P2的相位分别为和两束光通过分束镜，纯位相被加载到SLM上，U1通过物光波和平面参考光波的干涉，被记录在全息材料中；纯位相被加载到SLM，U2通过同样的方式被记录在全息材料中，则I＝I1+I2；最后，经过化学显影定影漂白过程后，制造需要的全息衍射光学元件。本发明利用解析的方法设计和制造任意结构衍射光学元件。首先进行了数值模拟和光学实验，两者得到很好的吻合。如果有精密的对准仪器可以采用，则可以利用两个SLMs来实现快速准确的具有精密复杂位相的衍射光学元件的制作。
【专利说明】任意结构衍射光学元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种任意结构的衍射光学元件设计方法，属于光学元件领域。
【背景技术】
[0002] 衍射光学元件被广泛应用到许多光学领域，例如波前整形，全息投影，光学加密 等。设计光学元件其实是振幅和位相的复原。传统的光学元件设计是基于优化的迭代算法， 例如 R. W. Gerchberg and W. 0· Saxton,A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures,，'J. R. Fienup,"Reconstruction of an object from the modulus of its Fourier transform,，'中提至lj的GS算法,G. Yang, B. Dong, B. Gu,J Zhuang,and 0· K. Ersoy, "Gerchberg-Saton and Yang-Gu algorithm for phase retrieval in a nonunitary transform system ：a comparison，'，中提至lj的杨-顾 算法和 S. Kirkpatrick, C. D. Gelatt, and Μ. P. Vecchi, "Optimization by simulated annealing，"中的模拟退火算法等。这些算法在输出平面上只是近似的得到了振幅而忽略 了相位。然而，在许多的光学系统中，能够精确的同时调制振幅和相位的衍射光学元件是 非常必要的。任意结构衍射光学元件通常是通过多层掩模板，灰阶掩模板，电子束刻蚀等 方法实现的，t匕如 Z. Cui. "Micro-Nanofabrication technologies and applications，'。 这些技术非常的耗时而且昂贵。利用全息干涉的方法制作衍射光学元件是非常有效且成 本低廉的方法，尤其是在制造大面积衍射光学元件时。然而，传统的全息干涉方法只能 制作简单的光栅结构或者简单的平面镜，比如M. Farhoud，J. Ferrera，A. J. Lochtefeld, et.al. "Fabrication of 200nm period nanomagnet arrays using interference lithography and a negative resist^, T. A. Savas, Satyen N. Shah, M. L. Schattenburg, et. al" Achromatic interferometric lithography forl0〇-nm-period gratings and grids，',Η. H. Solak,Y. Ekinci,and P. KSser " Photon-beam lithography reachesl2. 5nm half-pitch resolution " , A. Fernandez, Η. T. Nguyen, J.A.Britten, et.al. "Use of interference lithography to pattern arrays of submicron resist structures for field emission flat panel displays, " 和 M. Campbell, D. N. Sharp, Μ. T. Harrison, et.al. " Fabrication of photonic crystals for the visible spectrum by holographic lithography" 等等。
[0003] 衍射光学元件被广泛应用到许多光学领域，例如波前整形，全息投影，光学加密 等。设计光学元件其实是振幅和位相的复原。传统的光学元件设计是基于优化的迭代算法， 例如GS算法，杨-顾算法和模拟退火算法等。这些算法在输出平面上只是近似的得到了振 幅而忽略了相位。然而，在许多的光学系统中，能够精确的同时调制振幅和相位的衍射光学 元件是非常必要的。任意结构衍射光学元件通常是通过多层掩模板，灰阶掩模板，电子束刻 蚀等方法实现的。这些技术非常的耗时而且昂贵。利用全息干涉的方法制作衍射光学元件 是非常有效且成本低廉的方法，尤其是在制造大面积衍射光学元件时。然而，传统的全息干 涉方法只能制作简单的光栅结构或者简单的透镜。而大面积的制作任意结构的衍射光学元 件一直是本领域的一个难题。
【发明内容】
[0004] 鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种任意结构衍射光学元 件的制作方法。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：相较于现有技术，本发明提供的 任意结构衍射光学元件的制作方法，包括以下步骤：
[0006] 首先，通过解析分别得到输入面P1和输入面P2的相位分别为灼和鹤，两束光通过 分束镜，两束光在平面输出面处可表示为Ae ia =Ui+U2;
[0007] 其次，纯位相灼:被加载到SLM上，％通过物光波和平面参考光波的干涉，被记录在 全息材料中
【权利要求】
1. 一种任意结构衍射光学元件的制作方法，其特征在于包括以下步骤： 首先，通过解析分别得到输入面P1和输入面P2的相位分别为灼详P朽，两束光通过分 束镜，两束光在平面输出面处可表示为Aeia = A+U2 ; 其次，纯位相納被加载到SLM上，％通过物光波和平面参考光波的干涉，被记录在全息 材料
再次，纯位相朽:被加载到SLM，U2通过同样的方式被记录在全息材料4
I =工1+工2 ; 最后，经过化学显影定影漂白过程后，制造需要的全息衍射光学元件。
2. -种任意结构衍射光学元件的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、两位相板分别作为输入面P1和输入面P2,通过解析分别得到输入面P1和输入 面P2的相位分别为灼和朽，平面镜作为输出面P3,所述输入面P1和输入面P2垂直设置， 在输入面P1和输入面P2的法线交汇处设置分束镜，平面波照射输入面P1和P2,调制成波 前为4,€^和4^0^的光波，设= Aa = 1，通过分束镜，两束光在平面输出面P3处可表示 为 Aeia = 其中 指平行近似下的菲涅尔衍射或者夫 琅禾费衍射，得到相位分布为
其中，€ =Frri{Aeia}，ang(...)是指求幅角，根据解析得到的釣;和灼;得到 Aeh 假设需要制造的衍射光学元件的结构为P (x，y)，设P (x，y) = cl' (x，y)，其中c为常 数，
> 人而制作该结构的衍射光学元件； 步骤二、从激光器发出的光束经过分束器和准直透镜变为平面波，一束光作为参考光 R，另一束通过纯位相空间光的调制，成为物光波。记录的光学强度分布可以写为 I (X，y) 〈0 (X，y) ? R* (X，y) > (2) 其中0(x，y)和R(x，y)分别为物光波和参考光波的复振幅。上标*表示共轭。假设 R(x，y)为平面波，则R(x，y) = ei，复杂的物光波0(x，y)通过公式⑴计算得到两个位 相；
最后，纯位相科被加载到SLM上，仏通过物光波和平面参考光波的干涉，被记录在全 沌位相％被加载到SLM，U2通过同样的方式被记录在全息材料中 12，经过化学显影定影漂白过程后，即制作出全息衍射光学元件。
【文档编号】G02B5/32GK104280801SQ201410539223
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月27日 优先权日:2014年9月27日
【发明者】郑敏 申请人:郑敏