二元光學元件的設計與應用

1、物理物理10011001前言前言n長期以來, 提起光學元件, 人們很自然地想到透鏡、反射鏡、棱鏡和光柵等。隨著光學技術，特別是以光通信為代表的光電子技術的不斷蓬勃發(fā)展，以及光、機、電一體化的趨勢，對光學系統(tǒng)中的元件提出了小型化、陣列化與集成化的高要求。基于折反射的傳統(tǒng)光學元器件對此“心有余而力不足” ，難以滿足使用要求。n80年代末, 隨著計算機輔助設計（CAD）和超大規(guī)模集成電路制造技術以及離子束蝕刻技術的迅速發(fā)展, 出現(xiàn)了一種新的光學元件的制作方法, 被稱為二元光學技術。它可以制作出一些有特殊功能且高效率的衍射光學元件。威爾得坎普威爾得坎普(Veldkamp)n他在美國MIT林肯實驗室設計

2、新型傳感系統(tǒng)中，率先提出了“二元光學”的概念。n他當時描述道：“ 現(xiàn)在光學有一個分支，它幾乎完全不同于傳統(tǒng)的制作方式，這就是衍射光學，其光學元件的表面帶有浮雕結構；由于使用了本來是制作集成電路的生產(chǎn)方法，所用的掩模是二元的，且掩模用二元編碼形式進行分層，故引出了二元光學的概念?！眓二元光學的定義n二元光學元件的基本原理及特點n二元光學元件的設計n二元光學元件的應用二元光學的定義二元光學的定義n二元光學是基于光波衍射理論發(fā)展起來的一個新興光學分支，是光學與微電子技術相互滲透、交叉而形成的前沿學科。二元光學的基本原理二元光學的基本原理n二元光學元件的制作大體分為兩部分:產(chǎn)生所需波陣面的二元光學的模

3、版的設計。它使用光全息和計算全息原理; 設計出高衍射效率介質表面的位相結構。二元光學元件的特點二元光學元件的特點n具有高的衍射效率 從理論上講高效率的衍射光學元件中各條紋間的位相變化是連續(xù)的（對應的元件表面結構的浮雕深度是連續(xù)變化的）, 這種連續(xù)的位相變化在實際制作中是難以獲得的, 二元光學技術是將這種位相的變化通過二進制量化用多臺階位相的方法來逼近連續(xù)值。閃耀光柵子剖面的多臺階逼近二元光學元件的優(yōu)點二元光學元件的優(yōu)點理論上可以獲得任意需要的波前; 具有很高的衍射效率, 如4臺階量化結構可達81% , 8臺階量化可達95% ; 這種二元光學元件出現(xiàn)在基片表面波長量級的厚度內, 因而具有輕型的特

4、點;二元光學元件與傳統(tǒng)的光學元件結合, 可使系統(tǒng)更為簡潔, 并能校正系統(tǒng)像差二元光學元件的設計二元光學元件的設計n通常情況下，當二元光學器件的衍射特征尺寸大于光波長時，可以采用標量衍射理論進行設計。但隨著其制作工藝水平的發(fā)展和衍射元件應用領域的擴展，二元光學元件尺寸進一步縮小，其設計理論已逐漸從標量衍射理論向矢量衍射理論發(fā)展。n二元光學元件的設計問題類似于光學變換系統(tǒng)中的位相恢復問題，如圖二元光學元件設計的一般模型二元光學元件的應用二元光學元件的應用n二元光學作為一種新的研究課題, 二元光學元件的設計、微電子工藝水平以及它的應用領域還有待于開拓但它的特性決定了二元光學元件在光控制、光通信、光互

5、連以及光學元件的消象差、紅外光學系統(tǒng)、機器人視覺等許多高科技、民用方面都將有開創(chuàng)性的應用1.二元光學微透鏡陣二元光學微透鏡陣n半導體陣列激光器產(chǎn)生的激光陣列需要聚合形成一個高功率的激光束，光計算中將一個點光源產(chǎn)生NN點陣列，集成電路工藝中產(chǎn)生多重像等都需要微透鏡陣列。傳統(tǒng)微透鏡陣列是用小透鏡排列而成的, 這是非常困難的事情（尤其在透鏡很小時）例如例如nVeldkamp等人用微電子技術成功地制作出二元光學微透鏡陣列這種元件可以在1c的平板玻璃表面制作2萬個微透鏡, 每個透鏡直徑僅55um大小。(a) 菲涅耳透鏡極坐標下作出的(b) 二元光學granscale暴露下,矩形的坐標(c)異形波束掃描光

6、柵的閃耀特性(d)槽形與掃描方法2.衍射光學激光共振腔衍射光學激光共振腔n一般的激光共振腔是由平面反射鏡、球面反射鏡構成的, 出射的基模激光束的光強分布是高斯型分布, 而且對高階模的抑制比較困難這在許多應用中是不利的, 用二元光學技術可以制作具有所需要的反射系數(shù)（包括位相和反射率）的反射鏡, 從而出現(xiàn)一種新的激光共振腔它出射的激光模式形狀、光束的光強分布可以得到控制, 并可以有很高的模式甄別能力。3.二元光學分束器二元光學分束器n傳統(tǒng)的雙光束分束器件, 利用不同介質介面的反射和折射原理, 在介質上鍍一定的膜系而得, 但要改變分束的能量比是比較困難的, 常見的辦法是在同一基片上在不同的區(qū)域鍍不同

7、的膜系來實現(xiàn)的用微電子技術可以制成空間結構變化的光柵,這種光柵的衍射的正負一級能量隨著結構的變化而變化,分出的兩束光的強度比可以連續(xù)調節(jié), 并易于復制、壽命長。激光分束器可用于多孔同時加工，光纖耦合等。激光鉆孔的具體應用包括包裝工業(yè)中易撕裂的紙箱和金屬膜，香煙過濾嘴，方便面篩孔，液體和氣體排放管道，汽車安全氣囊中金屬片的預先弱化，高速激光毛化等。我們可以將一束激光分割成近百萬束高度均勻的激光束。4.自聚焦微分濾波片自聚焦微分濾波片n將具有微分功能的位相型差頻復合光柵和具有聚焦功能的位相型菲涅耳波帶板組合而成的一個二元光學元件。其設計的濾波器的掩膜版如圖5.光互連元件光互連元件n這種二元老派光學元件成功地完成了Perfect Shuffle 互連以及Clos 互連和蝶形互連等幾種互連。如實現(xiàn)44 Shuffle 網(wǎng)絡的二元光學元件模版如圖Shuffle 網(wǎng)絡的二元光學元件模版全息圖輸入圖像輸出圖像Light Peak高速光纖互連技術。這種采用光纖互聯(lián)的技術的傳輸率可以達到10Gbps(1.25GB/s)，是USB3.0標準速率的2倍，為超高速移動設備傳輸提供了更廣闊的空間。6.其他其他n二元光學元件應用還有許多其他的報道, 如光計算中的光互連可以通過一個二元光學元件將兩組地址按一定要求連接起來；光強高斯分布的光束通過一個二元光學波整形器變成平