任意结构衍射光学元件的制作系统及方法
【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.Gerchbergand於 0?Saxton，"Apracticalalgorithmfor thedeterminationofphasefromimageanddiffractionplanepictures，，'J. R.Fienup，"ReconstructionofanobjectfromthemodulusofitsFourier transform，"中提到的GS算法，G.Yang，B.Dong，B.Gu，JZhuang，and0?K.Ersoy， "Gerchberg-SatonandYang-Gualgorithmforphaseretrievalinanonunitary transformsystem:acomparison"，中提到的杨-顾算法和S.Kirkpatrick，C.D. Gelatt，andM.P.Vecchi，"Optimizationbysimulatedannealing，" 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，比如Z. Cui. "Micro-Nanofabricationtechnologiesandapplications，'。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筒单的光栅结构或 者筒单的平面镜，比如M.Fariioud，J. Ferrera，A.J.Lochtefeld,et.al."Fabricationof200nmperiodnanomagnet arrays usinginterferencelithographyandanegativeresist"，T.A.Savas,Satyen N.Shah,M.L.Schattenburg,et.al^Achromaticinterferometriclithographyfor 10〇-nm--periodgratingsandgrids"，H.H.Solak，Y.Ekinci,andP.Kaser ^Photon-beamlithographyreaches12. 5nmhalf-pitchresolution"，A.Fernandez, H.T.Nguyen,J.A.Britten,et.al."Useofinterferencelithographytopattern arraysofsubmicronresiststructuresforfieldemissionflatpaneldisplays，，' 和M.Campbell，D.N.Sharp,M.T.Harrison,et.al."Fabricationofphotonic crystalsforthevisiblespectrumbyholographiclithography" 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。
[0004]因此，现有技术有待于进一步的改进。
【发明内容】
[0005] 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 件的制作系统及方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案： 一种任意结构衍射光学元件的制作系统，其中，包括：激光器、分束镜、准直透镜、空间 光调制器和全息干板； 激光器发出的光束经过分束镜和准直透镜变为平面波，一束光作为参考光，另一束通 过空间光调制器的调制，成为物光波；所述参考光和所述物光波形成相干光，照射到全息干 板上，在全息干板上形成干涉条纹，所述干涉条纹经过两次曝光，制造出记录干涉条纹的衍 射光学兀件。
[0007] -种任意结构衍射光学元件的制作方法，其中，包括以下步骤： A、 从激光器发出的光束经过分束镜和准直透镜后变为两束平面波，一束光波作为参考 光波，另一束光波作为物光波； B、 所述物光波被调制成两束具有不同的相位的光波后，输入到空间光调制器上； C、 所述参考光波被调制成与上述步骤B中物光波相同的相位后，与空间光调制器发出 的两束光波，形成两对相干光照射入全息干板中； D、 所述全息干板经过化学显影定影漂白过程后，即制作出衍射光学元件。
[0008] 所述任意结构衍射光学元件的制作方法，其中，在上述步骤C中： 所述物光波被调制后形成的两束具有不同的相位的光波的相位分别为 約和?，则位相为《光波经过空间光调制器后，与其等相位的参考光波形成干涉光；位相 为朽光波经过空间光调制器后，与其等相位的参考光波形成干涉光。
[0009] -种任意结构衍射光学元件的制作方法，其中，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的相位分别为约和％,两束光通过分束镜，两束光在平面输 出面处可表示为=C/, ++C/2 ;其次，纯位相&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
【主权项】
1. 一种任意结构衍射光学元件的制作系统，其特征在于，包括：激光器、分束镜、准直 透镜、空间光调制器和全息干板； 激光器发出的光束经过分束镜和准直透镜变为平面波，一束光作为参考光，另一束通 过空间光调制器的调制，成为物光波；所述参考光和所述物光波形成相干光，照射到全息干 板上，在全息干板上形成干涉条纹，所述干涉条纹经过两次曝光，制造出记录干涉条纹的衍 射光学兀件。
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： A、 从激光器发出的光束经过分束镜和准直透镜后变为两束平面波，一束光波作为参考 光波，另一束光波作为物光波； B、 所述物光波被调制成两束具有不同的相位的光波后，输入到空间光调制器上； C、 所述参考光波被调制成与上述步骤B中物光波相同的相位后，与空间光调制器发出 的两束光波，形成两对相干光照射入全息干板中； D、 所述全息干板经过化学显影定影漂白过程后，即制作出衍射光学元件。
3. 根据如权利要求2所述任意结构衍射光学元件的制作方法，其特征在于，在上 述步骤C中：所述物光波被调制后形成的两束具有不同的相位的光波的相位分别为 錢和朽，则位相为錢光波经过空间光调制器后，与其等相位的参考光波形成干涉光；位相 为％光波经过空间光调制器后，与其等相位的参考光波形成干涉光。
【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系统及方法，包括：激光器、分束镜、准直透镜、空间光调制器和全息干板；所述激光器发出的光束经过分束镜和准直透镜变为平面波，一束光作为参考光，另一束通过空间光调制器的调制，成为物光波；所述参考光和所述物光波形成相干光，照射到全息干板上，在全息干板上形成干涉条纹，所述干涉条纹经过两次曝光，制造出记录干涉条纹的衍射光学元件。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。
【IPC分类】G03H1-12, G02B5-18
【公开号】CN104614969
【申请号】CN201510029669
【发明人】马晓璐
【申请人】佛山市智海星空科技有限公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月21日