专利名称:快速精确的纯位相元件离子束刻蚀加工方法
技术领域：
本发明涉及对纯位相元件进行加工的方法，尤其是涉及离子束刻蚀加工方法。
背景技术：
纯位相元件(简称PPE)是一种光学器件，已在光通信、强激光的传输与控制、光电系统等领域中得到广泛的应用。对纯位相元件进行加工的方法，目前通常采用新发展起来的离子束刻蚀工艺。在该工艺过程中，首先要对纯位相元件的表面进行位相分布曲面的点阵计算，以得到位相分布曲面的点阵数据、从而输入加工机床的控制器中进行加工指令的编码。该点阵数据应使纯位相元件上的位相分布曲面连续、即元件表面形态光滑(越光滑，则纯位相元件越容易实现精密加工，从而使用效果越好)。现有的离子束刻蚀工艺中所采用的计算方法限于以下两种一种是Y-G算法为代表的直接计算方法，这种方法计算量很大，为了得到一个较好的结果往往需要消耗大量的计算时间，所以很不经济，不利于推广使用。另一种是强迫自恰迭代算法与模拟退火算法相结合的杂化方法(见Wei Wang、Tao Li、Yong-ping Li.A hybrid algorithm forthe design of DOE in uniform illumination.Optics Communication，2000，VOL181.P261～265)，这种算法耗时短，见效快，对光强分布整形的效果也很好。但是这种方法在强迫自恰迭代算法部分会出现过多的位相突变线，这样在PPE的表面就会出现过多的浮雕突变线，这对于离子束旋转(或平动)刻蚀工艺而言难以精确实现，成为其投入实用的重要制约因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计算耗时短、位相突变线少的纯位相元件离子束刻蚀加工方法。
本发明的解决方案如下加工过程按以下步骤进行①根据纯位相元件的实际使用需要所提供的输出光强函数以及波长λ与主透镜焦距f进行位相分布曲面的点阵计算；②将所得数据输入加工机床的控制器中进行加工指令的编码、并加工出所对应的掩模板；③将所得的掩模板安装在离子束刻蚀系统中、对基片进行加工，以得到所需的纯位相元件；其特征在于上述第①个步骤的具体过程为(a)将λ和/或f增大到适当的倍数(至少2倍)，同时相应地修改输出光强分布的函数；(b)将修改后的函数在变化的参数下采用强迫自恰迭代算法进行计算，直到得到满足要求的光强分布为止；(c)将计算所得到的位相点阵数据连接为位相分布曲面，视其位相深度是否小于10π，否则将放大比例提高、再次进行计算，直至小于10π；(d)将所得数据采用模拟退火算法进行优化。
本发明是基于以下新发现而提出的。
PPE对于实际应用系统中各类参数(主要是光的波长λ、主透镜焦距f)存在依赖关系(也可以看成是PPE的通用性)。一般而言，应用PPE的系统都可以简化为一个傅里叶变换系统。
若入射光场的复振幅为
则出射光场
的分布可表示为U~o(x2,y2)=1jλf∫∫U~i(x1,y1)Y(x1,y1)exp[-j2πλf(x1x2+y1y2)]dx1dy1--(1)]]>对于一般的二维普适情况，令计算中入射光束x、y方向的取样窗口宽度分别为Wxi和Wyi，出射取样窗口宽度分别为Wxo和Wyo，将香农(Whittaker-Shannon)抽样定理取如下形式 其中Nx、Ny分别为x、y方向的取样点数。
考虑到公式(1)和(2)，可以看出λ、f两个参数实际上具有等效性，它们对结果的影响是相同的，限于篇幅，下面只讨论f，结论可以完全相同地推广到λ。
在计算中将公式全部进行离散化，令 其中Δxi、Δxo和Δyi、Δyo分别为入射和出射取样窗口在x和y方向的取样间隔。将(3)带入(2)可分别得到 可以看出，其它的参数不变的情况下，Δxo与Δyo与f成正比，可以等效的认为f越大，则出射波形就扩展得越宽，且宽度与f成正比。
将(4)代入(1)Up,qo=1jλfΣmΣnUm,niTm,nexp{-j2πλf[mp·Δxi·Δxo+nq·Δyi·Δyo]}Δxi·Δyi---(5)]]>Up，qo、Um，ni分别代表
的第(p，q)个和第(m，n)个取样点。
再考虑到(4)，可以得到
Up,qo=1jλfΣmΣnUm,niTm,nexp{-j[πNxmp+πNynq]}--(6)]]>从式(6)可以看出，求和号内的部分是与λ或f无关的。这样，可以得到如下的结论Up，qo与f成反比关系，并考虑到f为一个实数，这样对于出射光束
而言，就意味着f不影响其位相，只影响其相对光强度的大小，更不会影响其波形上的分布。同时考虑到式(4)，可以发现f实际上只影响出射光束的相对强度和宽度。λ的情况与f完全相同。
在实际的计算过程中，如果选取较少的取样点数，位相分布突变线数目必然能够减少。但是过少的取样点数又往往会带来位相失真，甚至破坏抽样定理，使得理论计算值会与实际所需的结果存在较大的差异，无法满足实际使用的要求。考虑到最基本的公式(2)，发现N、λ和f具有一定的等效性。这样，在计算过程中，如果在保证较少的取样点数的情况下，将λ和/或f增大到适当的倍数(至少2倍)，仍然可以起到较多取样点数时的相同效果，即不会出现位相失真，而较少的取样点数也保证了很少的位相突变线数目。但是，变化后的λ和/或f并非是实际应用系统所给定的参数值，这时就可以根据上述结论，将给定的强度函数也作相应的变化，即其振幅大小按与λ和/或f的相同比例进行缩小(即按其反比例作相应的变化)、而分布宽度按与λ和/或f的相同比例进行放大(即按其相同比例作相应的变化)，然后针对变化的函数和参数采用强迫自恰迭代算法进行计算。由上面的结论可以保证，经这种“变参数”过程而计算得到的PPE位相分布与实际的需求应该是一致的，同时它的位相突变线数目也大大减少了。
在具体的计算过程中，波长λ和主透镜焦距f的取值可以同时变化或单独变化，即只要二者的乘积按适当比例放大，该比例应当至少使二者放大后的数值乘积与原始的数值乘积之比为2倍。将修改后的函数在变化的参数下采用强迫自恰迭代算法进行计算、就可得到所需的位相点阵数据，此时只存在数目不多的位相突变线；然后，还可以利用位相的2π周期性，将整个位相分布连接成为完整的平滑的位相分布曲面，并视其位相深度是否小于10π，否则将放大比例提高、再次进行计算，直至小于10π；最后，将所得数据采用模拟退火算法进行优化。这样，就可以在充分保证计算结果满足实际需求的情况下，得到非常利于后续加工工艺的位相分布数据。
本发明的PPE加工方法中的变参数计算过程，在继承了强迫自恰迭代算法所具备的耗时短的优良特性的基础上，利用PPE与实用系统参数之间的依赖关系，在计算中改变某些特定的参数，从而在充分保证输出光场结果满足要求的情况下，大大减少了位相分布的突变线。经计算得到的PPE的位相分布曲面，其位相深度一般不超过10π，整个位相曲面光滑无突变，对离子束刻蚀加工过程非常有利。将上述过程编制出相应的计算机软件予以实用，在充分保证计算指标满足实际需求的情况下，大大减少了位相突变线，使得后续的离子束(旋转或平动)刻蚀过程实现了高精度的加工。因此，本发明可以既快速、又精确地实现PPE的离子束刻蚀加工。
附图1为变参数计算过程的软件流程图；附图2～6为计算实例结果，其中附图2、附图3分别为直接采用强迫自恰迭代法计算得到的PPE位相分布和焦平面强度分布；附图4、附图5分别为采用变参数计算所得到的PPE位相分布和焦平面强度分布；附图6为采用变参数计算、并经过位相连接所得到的PPE位相分布。
具体实施方式
PPE加工工艺的变参数计算对于所有需要采用PPE对激光波阵面进行波面变换的傅里叶变换系统都是适用的。下面以均匀照明问题为例，来具体说明采用变参数计算所产生的明显的积极效果。
例如，对一种口径100mm(λ＝0.351μm，f＝600mm)、强度为80阶的超高斯分布的入射光束进行整形，希望在焦平面得到口径20μm的均匀焦斑(顶部调制＜2％，衍射效率＞98％)。变化后的参数取值为λ′＝3λ，f′＝f，振幅大小为原来的1/3，分布宽度为原来的3倍。从图中可以清楚地看到，虽然采用变参数计算得到的强度旁瓣略有上升，但是光强分布更加均匀，位相突变线数目大大减少。图2的位相突变线数目多达15条，而图4的位相突变线只有4条。经过位相连接，我们得到最终的PPE位相分布(见图6所示)。它的位相深度不超过5π，整个曲面连续光滑，非常有利于工艺加工。而图2的位相分布在离子束刻蚀工艺中会遇到非常大的困难，甚至根本不能加工。由此可以清楚地看到变参数计算所带来的明显成效。
权利要求
1.一种快速精确的纯位相元件离子束刻蚀加工方法，其加工过程按以下步骤进行①根据纯位相元件的实际使用需要所提供的输出光强函数以及波长λ与主透镜焦距f进行位相分布曲面的点阵计算；②将所得数据输入加工机床的控制器中进行加工指令的编码、并加工出所对应的掩模板；③将所得的掩模板安装在离子束刻蚀系统中、对基片进行加工，以得到所需的纯位相元件；其特征在于上述第①个步骤的具体过程为(a)将λ和/或f增大到至少2倍，同时相应地修改输出光强分布的函数；(b)将修改后的函数在变化的参数下采用强迫自恰迭代算法进行计算，直到得到满足要求的光强分布为止；(c)将计算所得到的位相点阵数据连接为位相分布曲面，视其位相深度是否小于10π，否则将放大比例提高、再次进行计算，直至小于10π；(d)将所得数据采用模拟退火算法进行优化。
专利摘要
本发明涉及对纯位相元件进行加工的方法，尤其是涉及离子束刻蚀加工方法。它是将其中的点阵计算过程在继承了强迫自恰迭代算法所具备的耗时短的优良特性的基础上进行“变参数”计算，即利用PPE与实用系统参数之间的依赖关系，在计算中改变某些特定的参数，从而在充分保证输出光场结果满足要求的情况下，大大减少了位相分布的突变线，使得后续的离子束(旋转或平动)刻蚀过程实现了高精度的加工。因此，本发明可以既快速、又精确地实现PPE的离子束刻蚀加工。
文档编号G02B6/136GKCN1190671SQ01113712
公开日2005年2月23日 申请日期2001年6月19日
发明者李永平, 徐俊中, 王炜 申请人:中国科学技术大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan