專利名稱：快速精確的純位相元件離子束刻蝕加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)純位相元件進(jìn)行加工的方法，尤其是涉及離子束刻蝕加工方法。
純位相元件(簡(jiǎn)稱PPE)是一種光學(xué)器件，已在光通信、強(qiáng)激光的傳輸與控制、光電系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)純位相元件進(jìn)行加工的方法，目前通常采用新發(fā)展起來(lái)的離子束刻蝕工藝。在該工藝過(guò)程中，首先要對(duì)純位相元件的表面進(jìn)行位相分布曲面的點(diǎn)陣計(jì)算，以得到位相分布曲面的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)、從而輸入加工機(jī)床的控制器中進(jìn)行加工指令的編碼。該點(diǎn)陣數(shù)據(jù)應(yīng)使純位相元件上的位相分布曲面連續(xù)、即元件表面形態(tài)光滑(越光滑，則純位相元件越容易實(shí)現(xiàn)精密加工，從而使用效果越好)。現(xiàn)有的離子束刻蝕工藝中所采用的計(jì)算方法限于以下兩種一種是Y-G算法為代表的直接計(jì)算方法，這種方法計(jì)算量很大，為了得到一個(gè)較好的結(jié)果往往需要消耗大量的計(jì)算時(shí)間，所以很不經(jīng)濟(jì)，不利于推廣使用。另一種是強(qiáng)迫自恰迭代算法與模擬退火算法相結(jié)合的雜化方法(見(jiàn)Wei Wang、Tao Li、Yong-ping Li.A hybrid algorithm forthe design of DOE in uniform illumination. Optics Communication，2000，VOL181.P261～265)，這種算法耗時(shí)短，見(jiàn)效快，對(duì)光強(qiáng)分布整形的效果也很好。但是這種方法在強(qiáng)迫自恰迭代算法部分會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的位相突變線，這樣在PPE的表面就會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的浮雕突變線，這對(duì)于離子束旋轉(zhuǎn)(或平動(dòng))刻蝕工藝而言難以精確實(shí)現(xiàn)，成為其投入實(shí)用的重要制約因素。
本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算耗時(shí)短、位相突變線少的純位相元件離子束刻蝕加工方法。
本發(fā)明的解決方案如下加工過(guò)程按以下步驟進(jìn)行①根據(jù)純位相元件的實(shí)際使用需要所提供的輸出光強(qiáng)函數(shù)以及波長(zhǎng)λ與主透鏡焦距f進(jìn)行位相分布曲面的點(diǎn)陣計(jì)算；②將所得數(shù)據(jù)輸入加工機(jī)床的控制器中進(jìn)行加工指令的編碼、并加工出所對(duì)應(yīng)的掩模板；③將所得的掩模板安裝在離子束刻蝕系統(tǒng)中、對(duì)基片進(jìn)行加工，以得到所需的純位相元件；其特征在于上述第①個(gè)步驟的具體過(guò)程為(a)將λ和/或f增大到適當(dāng)?shù)谋稊?shù)(至少2倍)，同時(shí)相應(yīng)地修改輸出光強(qiáng)分布的函數(shù)；(b)將修改后的函數(shù)在變化的參數(shù)下采用強(qiáng)迫自恰迭代算法進(jìn)行計(jì)算；(c)將計(jì)算所得到的位相點(diǎn)陣數(shù)據(jù)連接為位相分布曲面，視其位相深度是否小于10π，否則將放大比例提高、再次進(jìn)行計(jì)算，直至小于10π；(d)將所得數(shù)據(jù)采用模擬退火算法進(jìn)行優(yōu)化。
本發(fā)明是基于以下新發(fā)現(xiàn)而提出的。
PPE對(duì)于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中各類參數(shù)(主要是光的波長(zhǎng)λ、主透鏡焦距f)存在依賴關(guān)系(也可以看成是PPE的通用性)。一般而言，應(yīng)用PPE的系統(tǒng)都可以簡(jiǎn)化為一個(gè)傅里葉變換系統(tǒng)。若入射光場(chǎng)的復(fù)振幅為Ui(x1，y1)，則出射光場(chǎng)Uo(x2，y2)的分布可表示為U~o(x2,y2)=1jλf∫∫U~i(x1,y1)T(x1,y1)exp[-j2πλf(x1x2+y1y2)]dx1dy1-------(1)]]>對(duì)于一般的二維普適情況，令計(jì)算中入射光束x、y方向的取樣窗口寬度分別為Wxi和Wyi，出射取樣窗口寬度分別為Wxo和Wyo，將香農(nóng)(Whittaker-Shannon)抽樣定理取如下形式 其中Nx、Ny分別為x、y方向的取樣點(diǎn)數(shù)。
考慮到公式(1)和(2)，可以看出λ、f兩個(gè)參數(shù)實(shí)際上具有等效性，它們對(duì)結(jié)果的影響是相同的，限于篇幅，下面只討論f，結(jié)論可以完全相同地推廣到λ。
在計(jì)算中將公式全部進(jìn)行離散化，令 其中Δxi、Δxo和Δyi、Δyo分別為入射和出射取樣窗口在x和y方向的取樣間隔。將(3)帶入(2)可分別得到 可以看出，其它的參數(shù)不變的情況下，Δxo與Δyo與f成正比，可以等效的認(rèn)為f越大，則出射波形就擴(kuò)展得越寬，且寬度與f成正比。
將(4)代入(1)Up,qo=1jλfΣmΣnUm,niTm,nexp{-j2πλf[mp·Δxi·Δxo+nq·Δyi·Δyo]}Δxi·Δyi-----(5)]]> 分別代表 的第(p，q)個(gè)和第(m，n)個(gè)取樣點(diǎn)。再考慮到(4)，可以得到Up,qo=1jλfΣmΣnUm,niTm,nexp{-j[πNxmp+πNynq]}-----(6)]]>從式(6)可以看出，求和號(hào)內(nèi)的部分是與λ或f無(wú)關(guān)的。這樣，可以得到如下的結(jié)論 與f成反比關(guān)系，并考慮到f為一個(gè)實(shí)數(shù)，這樣對(duì)于出射光束 而言，就意味著f不影響其位相，只影響其相對(duì)光強(qiáng)度的大小，更不會(huì)影響其波形上的分布。同時(shí)考慮到式(4)，可以發(fā)現(xiàn)f實(shí)際上只影響出射光束的相對(duì)強(qiáng)度和寬度。λ的情況與f完全相同。
在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中，如果選取較少的取樣點(diǎn)數(shù)，位相分布突變線數(shù)目必然能夠減少。但是過(guò)少的取樣點(diǎn)數(shù)又往往會(huì)帶來(lái)位相失真，甚至破壞抽樣定理，使得理論計(jì)算值會(huì)與實(shí)際所需的結(jié)果存在較大的差異，無(wú)法滿足實(shí)際使用的要求?？紤]到最基本的公式(2)，發(fā)現(xiàn)N、λ和f具有一定的等效性。這樣，在計(jì)算過(guò)程中，如果在保證較少的取樣點(diǎn)數(shù)的情況下，將λ和/或f增大到適當(dāng)?shù)谋稊?shù)(至少2倍)，仍然可以起到較多取樣點(diǎn)數(shù)時(shí)的相同效果，即不會(huì)出現(xiàn)位相失真，而較少的取樣點(diǎn)數(shù)也保證了很少的位相突變線數(shù)目。但是，變化后的λ和/或f并非是實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)所給定的參數(shù)值，這時(shí)就可以根據(jù)上述結(jié)論，將給定的強(qiáng)度函數(shù)也作相應(yīng)的變化，即其振幅大小按與λ和/或f的相同比例進(jìn)行縮小(即按其反比例作相應(yīng)的變化)、而分布寬度按與λ和/或f的相同比例進(jìn)行放大(即按其相同比例作相應(yīng)的變化)，然后針對(duì)變化的函數(shù)和參數(shù)采用強(qiáng)迫自恰迭代算法進(jìn)行計(jì)算。由上面的結(jié)論可以保證，經(jīng)這種“變參數(shù)”過(guò)程而計(jì)算得到的PPE位相分布與實(shí)際的需求應(yīng)該是一致的，同時(shí)它的位相突變線數(shù)目也大大減少了。
在具體的計(jì)算過(guò)程中，波長(zhǎng)λ和主透鏡焦距f的取值可以同時(shí)變化或單獨(dú)變化，即只要二者的乘積按適當(dāng)比例放大，該比例應(yīng)當(dāng)至少使二者放大后的數(shù)值乘積與原始的數(shù)值乘積之比為2倍。將修改后的函數(shù)在變化的參數(shù)下采用強(qiáng)迫自恰迭代算法進(jìn)行計(jì)算、就可得到所需的位相點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，此時(shí)只存在數(shù)目不多的位相突變線；然后，還可以利用位相的2π周期性，將整個(gè)位相分布連接成為完整的平滑的位相分布曲面，并視其位相深度是否小于10π，否則將放大比例提高、再次進(jìn)行計(jì)算，直至小于10π；最后，將所得數(shù)據(jù)采用模擬退火算法進(jìn)行優(yōu)化。這樣，就可以在充分保證計(jì)算結(jié)果滿足實(shí)際需求的情況下，得到非常利于后續(xù)加工工藝的位相分布數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的PPE加工方法中的變參數(shù)計(jì)算過(guò)程，在繼承了強(qiáng)迫自恰迭代算法所具備的耗時(shí)短的優(yōu)良特性的基礎(chǔ)上，利用PPE與實(shí)用系統(tǒng)參數(shù)之間的依賴關(guān)系，在計(jì)算中改變某些特定的參數(shù)，從而在充分保證輸出光場(chǎng)結(jié)果滿足要求的情況下，大大減少了位相分布的突變線。經(jīng)計(jì)算得到的PPE的位相分布曲面，其位相深度一般不超過(guò)10π，整個(gè)位相曲面光滑無(wú)突變，對(duì)離子束刻蝕加工過(guò)程非常有利。將上述過(guò)程編制出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件予以實(shí)用，在充分保證計(jì)算指標(biāo)滿足實(shí)際需求的情況下，大大減少了位相突變線，使得后續(xù)的離子束(旋轉(zhuǎn)或平動(dòng))刻蝕過(guò)程實(shí)現(xiàn)了高精度的加工。因此，本發(fā)明可以既快速、又精確地實(shí)現(xiàn)PPE的離子束刻蝕加工。
附

圖1為變參數(shù)計(jì)算過(guò)程的軟件流程圖；附圖2～6為計(jì)算實(shí)例結(jié)果，其中附圖2、附圖3分別為直接采用強(qiáng)迫自恰迭代法計(jì)算得到的PPE位相分布和焦平面強(qiáng)度分布；附圖4、附圖5分別為采用變參數(shù)計(jì)算所得到的PPE位相分布和焦平面強(qiáng)度分布；附圖6為采用變參數(shù)計(jì)算、并經(jīng)過(guò)位相連接所得到的PPE位相分布。
PPE加工工藝的變參數(shù)計(jì)算對(duì)于所有需要采用PPE對(duì)激光波陣面進(jìn)行波面變換的傅里葉變換系統(tǒng)都是適用的。下面以均勻照明問(wèn)題為例，來(lái)具體說(shuō)明采用變參數(shù)計(jì)算所產(chǎn)生的明顯的積極效果。
例如，對(duì)一種口徑100mm(λ＝0.351μm，f＝600mm)、強(qiáng)度為80階的超高斯分布的入射光束進(jìn)行整形，希望在焦平面得到口徑20μm的均勻焦斑(頂部調(diào)制＜2％，衍射效率＞98％)。變化后的參數(shù)取值為λ′＝3λ，f′＝f，振幅大小為原來(lái)的1/3，分布寬度為原來(lái)的3倍。從圖中可以清楚地看到，雖然采用變參數(shù)計(jì)算得到的強(qiáng)度旁瓣略有上升，但是光強(qiáng)分布更加均勻，位相突變線數(shù)目大大減少。圖2的位相突變線數(shù)目多達(dá)15條，而圖4的位相突變線只有4條。經(jīng)過(guò)位相連接，我們得到最終的PPE位相分布(見(jiàn)圖6所示)。它的位相深度不超過(guò)5π，整個(gè)曲面連續(xù)光滑，非常有利于工藝加工。而圖2的位相分布在離子束刻蝕工藝中會(huì)遇到非常大的困難，甚至根本不能加工。由此可以清楚地看到變參數(shù)計(jì)算所帶來(lái)的明顯成效。
權(quán)利要求
1.一種快速精確的純位相元件離子束刻蝕加工方法，其加工過(guò)程按以下步驟進(jìn)行①根據(jù)純位相元件的實(shí)際使用需要所提供的輸出光強(qiáng)函數(shù)以及波長(zhǎng)λ與主透鏡焦距f進(jìn)行位相分布曲面的點(diǎn)陣計(jì)算；②將所得數(shù)據(jù)輸入加工機(jī)床的控制器中進(jìn)行加工指令的編碼、并加工出所對(duì)應(yīng)的掩模板；③將所得的掩模板安裝在離子束刻蝕系統(tǒng)中、對(duì)基片進(jìn)行加工，以得到所需的純位相元件；其特征在于上述第①個(gè)步驟的具體過(guò)程為(a)將λ和/或f增大到至少2倍，同時(shí)相應(yīng)地修改輸出光強(qiáng)分布的函數(shù)；(b)將修改后的函數(shù)在變化的參數(shù)下采用強(qiáng)迫自恰迭代算法進(jìn)行計(jì)算；(c)將計(jì)算所得到的位相點(diǎn)陣數(shù)據(jù)連接為位相分布曲面，視其位相深度是否小于10π，否則將放大比例提高、再次進(jìn)行計(jì)算，直至小于10π；(d)將所得數(shù)據(jù)采用模擬退火算法進(jìn)行優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明涉及對(duì)純位相元件進(jìn)行加工的方法，尤其是涉及離子束刻蝕加工方法。它是將其中的點(diǎn)陣計(jì)算過(guò)程在繼承了強(qiáng)迫自恰迭代算法所具備的耗時(shí)短的優(yōu)良特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行“變參數(shù)”計(jì)算，即利用PPE與實(shí)用系統(tǒng)參數(shù)之間的依賴關(guān)系，在計(jì)算中改變某些特定的參數(shù)，從而在充分保證輸出光場(chǎng)結(jié)果滿足要求的情況下，大大減少了位相分布的突變線，使得后續(xù)的離子束(旋轉(zhuǎn)或平動(dòng))刻蝕過(guò)程實(shí)現(xiàn)了高精度的加工。因此，本發(fā)明可以既快速、又精確地實(shí)現(xiàn)PPE的離子束刻蝕加工。
文檔編號(hào)G02B6/136GK1392423SQ0111371
公開(kāi)日2003年1月22日 申請(qǐng)日期2001年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月19日
發(fā)明者李永平, 徐俊中, 王煒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)