二元光学元件的设计与应用

1、物理物理10011001前言前言n长期以来, 提起光学元件, 人们很自然地想到透镜、反射镜、棱镜和光栅等。随着光学技术，特别是以光通信为代表的光电子技术的不断蓬勃发展，以及光、机、电一体化的趋势，对光学系统中的元件提出了小型化、阵列化与集成化的高要求。基于折反射的传统光学元器件对此“心有余而力不足” ，难以满足使用要求。n80年代末, 随着计算机辅助设计（CAD）和超大规模集成电路制造技术以及离子束蚀刻技术的迅速发展, 出现了一种新的光学元件的制作方法, 被称为二元光学技术。它可以制作出一些有特殊功能且高效率的衍射光学元件。威尔得坎普威尔得坎普(Veldkamp)n他在美国MIT林肯实验室设计

2、新型传感系统中，率先提出了“二元光学”的概念。n他当时描述道：“ 现在光学有一个分支，它几乎完全不同于传统的制作方式，这就是衍射光学，其光学元件的表面带有浮雕结构；由于使用了本来是制作集成电路的生产方法，所用的掩模是二元的，且掩模用二元编码形式进行分层，故引出了二元光学的概念。”n二元光学的定义n二元光学元件的基本原理及特点n二元光学元件的设计n二元光学元件的应用二元光学的定义二元光学的定义n二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。二元光学的基本原理二元光学的基本原理n二元光学元件的制作大体分为两部分:产生所需波阵面的二元光学的模

3、版的设计。它使用光全息和计算全息原理; 设计出高衍射效率介质表面的位相结构。二元光学元件的特点二元光学元件的特点n具有高的衍射效率 从理论上讲高效率的衍射光学元件中各条纹间的位相变化是连续的（对应的元件表面结构的浮雕深度是连续变化的）, 这种连续的位相变化在实际制作中是难以获得的, 二元光学技术是将这种位相的变化通过二进制量化用多台阶位相的方法来逼近连续值。闪耀光栅子剖面的多台阶逼近二元光学元件的优点二元光学元件的优点理论上可以获得任意需要的波前; 具有很高的衍射效率, 如4台阶量化结构可达81% , 8台阶量化可达95% ; 这种二元光学元件出现在基片表面波长量级的厚度内, 因而具有轻型的特

4、点;二元光学元件与传统的光学元件结合, 可使系统更为简洁, 并能校正系统像差二元光学元件的设计二元光学元件的设计n通常情况下，当二元光学器件的衍射特征尺寸大于光波长时，可以采用标量衍射理论进行设计。但随着其制作工艺水平的发展和衍射元件应用领域的扩展，二元光学元件尺寸进一步缩小，其设计理论已逐渐从标量衍射理论向矢量衍射理论发展。n二元光学元件的设计问题类似于光学变换系统中的位相恢复问题，如图二元光学元件设计的一般模型二元光学元件的应用二元光学元件的应用n二元光学作为一种新的研究课题, 二元光学元件的设计、微电子工艺水平以及它的应用领域还有待于开拓但它的特性决定了二元光学元件在光控制、光通信、光互

5、连以及光学元件的消象差、红外光学系统、机器人视觉等许多高科技、民用方面都将有开创性的应用1.二元光学微透镜阵二元光学微透镜阵n半导体阵列激光器产生的激光阵列需要聚合形成一个高功率的激光束，光计算中将一个点光源产生NN点阵列，集成电路工艺中产生多重像等都需要微透镜阵列。传统微透镜阵列是用小透镜排列而成的, 这是非常困难的事情（尤其在透镜很小时）例如例如nVeldkamp等人用微电子技术成功地制作出二元光学微透镜阵列这种元件可以在1c的平板玻璃表面制作2万个微透镜, 每个透镜直径仅55um大小。(a) 菲涅耳透镜极坐标下作出的(b) 二元光学granscale暴露下,矩形的坐标(c)异形波束扫描光

6、栅的闪耀特性(d)槽形与扫描方法2.衍射光学激光共振腔衍射光学激光共振腔n一般的激光共振腔是由平面反射镜、球面反射镜构成的, 出射的基模激光束的光强分布是高斯型分布, 而且对高阶模的抑制比较困难这在许多应用中是不利的, 用二元光学技术可以制作具有所需要的反射系数（包括位相和反射率）的反射镜, 从而出现一种新的激光共振腔它出射的激光模式形状、光束的光强分布可以得到控制, 并可以有很高的模式甄别能力。3.二元光学分束器二元光学分束器n传统的双光束分束器件, 利用不同介质介面的反射和折射原理, 在介质上镀一定的膜系而得, 但要改变分束的能量比是比较困难的, 常见的办法是在同一基片上在不同的区域镀不同

7、的膜系来实现的用微电子技术可以制成空间结构变化的光栅,这种光栅的衍射的正负一级能量随着结构的变化而变化,分出的两束光的强度比可以连续调节, 并易于复制、寿命长。激光分束器可用于多孔同时加工，光纤耦合等。激光钻孔的具体应用包括包装工业中易撕裂的纸箱和金属膜，香烟过滤嘴，方便面筛孔，液体和气体排放管道，汽车安全气囊中金属片的预先弱化，高速激光毛化等。我们可以将一束激光分割成近百万束高度均匀的激光束。4.自聚焦微分滤波片自聚焦微分滤波片n将具有微分功能的位相型差频复合光栅和具有聚焦功能的位相型菲涅耳波带板组合而成的一个二元光学元件。其设计的滤波器的掩膜版如图5.光互连元件光互连元件n这种二元老派光学元件成功地完成了Perfect Shuffle 互连以及Clos 互连和蝶形互连等几种互连。如实现44 Shuffle 网络的二元光学元件模版如图Shuffle 网络的二元光学元件模版全息图输入图像输出图像Light Peak高速光纤互连技术。这种采用光纤互联的技术的传输率可以达到10Gbps(1.25GB/s)，是USB3.0标准速率的2倍，为超高速移动设备传输提供了更广阔的空间。6.其他其他n二元光学元件应用还有许多其他的报道, 如光计算中的光互连可以通过一个二元光学元件将两组地址按一定要求连接起来；光强高斯分布的光束通过一个二元光学波整形器变成平