專利名稱：圓環(huán)形達曼光柵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光光束波面整形，特別是一種圓環(huán)形達曼光柵，實現(xiàn)激光束在遠場衍射光斑各級譜的等強度圓環(huán)形光強分布。該種光柵可用于光束整形、激光顯示、激光光束耦合、強激光能量集中和波前平頂化和其它改變遠場衍射光斑各級譜的各種儀器中。
背景技術：
通過各種途徑對于激光衍射斑各級光譜的幾何尺寸和能量修正是實用的課題。在光束耦合和激光波前平頂化等許多應用場合均需要圓形或圓環(huán)形的衍射光強分布。
位相調制技術是通過改變衍射光線傳播截面的位相分布從而實現(xiàn)預期衍射光強分布的技術。用于進行調制的方法有多種，有固定位相分布的位相板，也有用光電晶體制成的可由電壓控制位相分布的調制片。因為衍射位相板光能的利用效率最高，所以最常用。
所謂達曼光柵，是空間位置坐標調制型二值位相光柵，利用特殊孔徑函數(shù)的衍射光柵產生一維或二維的矩形等光強陣列光束。達曼光柵可應用于高效率的光束分束器或陣列照明器[Changhe Zhou(周常河)et al，Numerical study of Dammann arrayilluminators，Applied Optics 34，1995，p.p.5961-5969]。但達曼光柵只能實現(xiàn)一維點陣或二維矩形點陣的光強分布。采用達曼光柵并不能適合于這類需要圓形光強分部的應用場合。
超分辨技術是一項被深入研究過的技術。超分辨技術的核心是通過改變入射光瞳的孔徑透過率函數(shù)(振幅或位相調制)以實現(xiàn)小于愛里斑的中央衍射光斑。[參見Opt.Lett，T.R.M.Sales and G.M.Morris，22，pp.582-584，1997]。超分辨技術關心的是中心零級譜點的尺寸大小，而對非零譜點間能量的分布比例情況并不考慮。因此，以往的超分辨技術并不能提供多級譜等強度的圓環(huán)形強度分布。但超分辨處理的往往是圓形孔徑，因此，超分辨技術提供了有關孔徑和圓環(huán)孔徑光衍射的數(shù)學處理工具。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種圓環(huán)形達曼光柵，以實現(xiàn)激光束遠場衍射斑的各級譜的等強度圓環(huán)形光強分布。
本發(fā)明技術解決方案如下
一種圓環(huán)形達曼光柵，它是一種在透明介質上形成有多個同心環(huán)帶位相分布的位相板，該位相板的大小與衍射極限透鏡的孔徑相當，所述環(huán)帶的位相分布為同一圓環(huán)內的位相值是相同的；所說相鄰環(huán)帶的位相值是0和φ相間的；各環(huán)帶位相板的歸一化半徑值需要優(yōu)化算出；本發(fā)明圓環(huán)形達曼光柵的制造方法包括下列步驟①根據(jù)工作需要選定需要制作的圓環(huán)形達曼光柵的階，環(huán)數(shù)；②根據(jù)衍射透鏡的孔徑和相應的歸一化半徑計算出各環(huán)的半徑；③利用電子束直寫法制作母版；④通過接觸式光刻法，將母版圖案轉移到涂有光刻膠的光學玻璃上；⑤利用感應耦合等離子刻蝕技術，將圖案刻蝕到光學玻璃上。
本發(fā)明的技術效果本發(fā)明就是將超分辨技術的圓孔衍射數(shù)學處理工具和傳統(tǒng)的達曼光柵結合起來，實現(xiàn)了多級圓環(huán)譜的等強度光強分布，這是傳統(tǒng)的達曼光柵所無法實現(xiàn)的。這也是傳統(tǒng)的超分辨技術所不研究的內容。本發(fā)明圓環(huán)型達曼光柵就是通過控制各個圓環(huán)的內外半徑值和位相值，可以使通過其的準直平行激光在遠場形成中心對稱的等強度多級圓環(huán)譜的光場分布。


圖1是本發(fā)明圓環(huán)型達曼光柵一個具體實例的結構示意圖。
圖2是圓環(huán)型達曼光柵的實驗測量裝置。
圖3是兩環(huán)零階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖。
圖4是兩環(huán)一階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖。
圖5是三環(huán)二階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖。
圖6是四環(huán)三階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖。
圖7是五環(huán)四階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖。
圖8是六環(huán)五階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖。
圖9是九環(huán)八階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖。
具體實施方式
圖1是本發(fā)明圓環(huán)型達曼光柵實施例之一的具有三環(huán)的達曼光柵結構的示意圖，各內環(huán)帶半徑用a，b表示，各環(huán)位相用φ1，φ2，φ3表示，外環(huán)半徑歸一化為1。由圖可見，本發(fā)明圓環(huán)型達曼光柵是一種在透明介質上形成的多個同心圓環(huán)位相分布的位相板，同一環(huán)帶內的位相值相同。如果所有相鄰圓環(huán)之間的位相只有兩個值，就叫做二值位相圓環(huán)型達曼光柵。如果各個圓環(huán)之間位相是多值的，就叫做多值位相圓環(huán)型達曼光柵。
在圓環(huán)型達曼光柵中，最常用和易于加工的是環(huán)帶型的二值位相板(binaryphase-only mask)。所謂環(huán)帶是指位相板的位相分布是同心圓環(huán)，二值是指任意點位相值是0或Φ，即相位沿徑向分布周期為(0，Φ)類型。
圓環(huán)型達曼光柵描述參數(shù)有1)圓環(huán)型達曼光柵的階(M)準直的相干光通過圓環(huán)型達曼光柵所產生的衍射光環(huán)的環(huán)數(shù)稱為達曼光柵的階。具體來說，零階環(huán)形即均勻圓餅光強分布的衍射場，可實現(xiàn)波前平頂化，多階環(huán)形達曼光柵是在中心零級譜點外實現(xiàn)了多個等強度衍射環(huán)。
2)圓環(huán)型達曼光柵的環(huán)(N)即從中心到最外圈的位相或振幅變化的次數(shù)。
3)衍射效率定義為E=Σi=0MIi/Itotal----(1)]]>其中Ii是均勻環(huán)形衍射場第i環(huán)的光強峰值，Itotal為所有衍射光能量的總和。
所以上式為衍射到均勻各級衍射環(huán)內的光能占所有衍射光能的比值。
4)均勻度u=Σi=1M(Ii-Iav)2/Σi=0MIi-----(2)]]>在公式中，Iav為平均光強，定義為Iav=1M+1Σi=0MIi---(3)]]>由衍射光學的結論可知，給定環(huán)形位相板，其遠場衍射場光場振幅分布為ψ(ξ)=Σj=1Nexp(iφj)[αj22J1(αjξ)/αjξ-αj-122J1(αj-1ξ)/αj-1ξ]----(4)]]>式中αj為第j環(huán)帶半徑，取環(huán)帶位相為二值0、φ0，則遠場衍射場場振幅可改寫為
ψ(ξ)=2J1(ξ)/ξ-[1-exp(iφ0)](-1)N+1Σj=1N-1(-1)j×αj22J1(αjξ)/αjξ----(5)]]>I＝ψ2(ξ)(6)本發(fā)明給出了不同階衍射環(huán)的各個圓環(huán)型達曼光柵的優(yōu)化參數(shù)。計算中采用的優(yōu)化指標為u≤0.1，表示衍射各級譜在峰值光強相差為10％以內，優(yōu)化位相環(huán)的各個半徑值。利用公式(5)搜索出了二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)一直到九環(huán)的位相版符合條件的最佳各環(huán)半徑值，其優(yōu)化數(shù)值結果如表1所示。
表1

本發(fā)明的圓環(huán)型達曼光柵在實際的應用如圖2所示。1是準直激光器，2是聚焦透鏡，3是本發(fā)明的圓環(huán)型達曼光柵，4是CCD光電探測器。從準直激光1發(fā)出的光經過聚焦透鏡2和圓環(huán)型達曼光柵3，在聚焦透鏡2的焦平面上產生多級譜點光強度相等的圓環(huán)分布。這樣的圓環(huán)形光強度分布可以由放在聚焦透鏡2的焦面上的CCD探測器4探測到并證實之。
實驗證明加入所設計的圓環(huán)型達曼光柵位相板后，確實實現(xiàn)了遠場衍射光斑各瓣的等峰值光強分布的環(huán)形衍射場。這說明本發(fā)明可用于光束整形、激光顯示、激光光束耦合、強激光能量集中和波前平頂化和其它改變遠場衍射光斑主瓣的各種儀器中。
圖3是兩環(huán)零階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖。圖中細實線為傳統(tǒng)意義的愛里斑光強分布，粗實線為零階圓環(huán)型達曼光柵產生的遠場光強分布，它實現(xiàn)了中心平頂化的激光光強分布。其中E為衍射效率。
圖4是兩環(huán)一階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖，細實線為傳統(tǒng)意義的愛里斑光強分布，粗實線為一階達曼光柵產生的遠場光強分布。其結果為一個中心圓斑和一個同心圓環(huán)的等強度光場分布。其中E為衍射效率。
圖5是三環(huán)二階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖，細實線為傳統(tǒng)意義的愛里斑光強分布，粗實線為一階達曼光柵產生的遠場光強分布。其結果為一個中心圓斑和兩個同心圓環(huán)的等強度光場分布。其中E為衍射效率。
圖6是四環(huán)三階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖，細實線為傳統(tǒng)意義的愛里斑光強分布，粗實線為一階達曼光柵產生的遠場光強分布。其結果為一個中心圓斑和三個同心圓環(huán)的等強度光場分布。其中E為衍射效率。
圖7是五環(huán)四階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖，細實線為傳統(tǒng)意義的愛里斑光強分布，粗實線為一階達曼光柵產生的遠場光強分布。其結果為一個中心圓斑和四個同心圓環(huán)的等強度光場分布。其中E為衍射效率。
圖8是六環(huán)五階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖，細實線為傳統(tǒng)意義的愛里斑光強分布，粗實線為一階達曼光柵產生的遠場光強分布。其結果為一個中心圓斑和五個同心圓環(huán)的等強度光場分布。其中E為衍射效率。
圖9是九環(huán)八階圓環(huán)型達曼光柵光場強度分布圖，細實線為傳統(tǒng)意義的愛里斑光強分布，粗實線為一階達曼光柵產生的遠場光強分布。其結果為一個中心圓斑和八個同心圓環(huán)的等強度光場分布。其中E為衍射效率。
下面以一個五環(huán)四階的圓環(huán)型達曼光柵為例，描述其制作方法。
1、根據(jù)工作需要確定要制作五環(huán)四階的圓環(huán)型達曼光柵；2、射極限透鏡的孔徑為10毫米，計算出各環(huán)的半徑；表1中為歸一化數(shù)據(jù)，實際中應根據(jù)需要換算出具體數(shù)據(jù)。假設透鏡的孔徑為1毫米，則各環(huán)半徑為1.546，3，394，4.880，7.870毫米。
3、圓環(huán)型位相光柵，是利用大規(guī)模集成電路工藝技術和平面光刻工藝技術來實現(xiàn)的，首先，利用電子束直寫法制作出母版；4、通過接觸式光刻法，母版圖案轉移到了涂有光刻膠的光學玻璃上。所采用的光刻膠為Shipley s1818，厚度為1.8μm。接觸曝光的復制誤差小于0.5μm。圓環(huán)形位相光柵各參數(shù)在前文中已給出。最后，5、利用感應耦合等離子刻蝕技術，將圖案刻蝕到光學玻璃中。所采用的刻蝕氣體為三氟甲烷(CHF3)，流量為30SCCM，RF功率500W，偏置功率200W，對石英基底的刻蝕速率為0.077μm/min。對應于0.650μm波長，光學玻璃的折射率為1.521，因而π位相對應深度為0.608μm。利用泰勒輪廓儀來測量環(huán)形位相光柵的深度為0.610μm。按照圖2的光路示意圖，布置好測量光路。光源采用半導體激光器，其工作波長是650nm。然后擴束、準直。在實驗中所用的透鏡直徑為10mm，后放置位相版，然后在聚焦光斑處放置CCD探測器，由此可觀測出各級光斑的大小。實測數(shù)據(jù)證明了理論計算的正確性。
權利要求1.種圓環(huán)形達曼光柵，其特征在于它是一種在透明介質上形成有多個同心環(huán)帶位相分布的位相板，該位相板的大小與衍射極限透鏡的孔徑相當，所述環(huán)帶的位相分布為同一圓環(huán)內的位相值是相同的。
2.據(jù)權利要求1所述的圓環(huán)形的達曼光柵，其特征在于所述相鄰環(huán)帶的位相值是0和φ相間的。
3.根據(jù)權利要求2所述的圓環(huán)形達曼光柵，其特征在于各環(huán)帶位相板的歸一化半徑值分別為
專利摘要一種圓環(huán)形達曼光柵，其特點是一種在透明介質上形成有多個同心環(huán)帶位相分布的位相板，該位相板的大小與衍射極限透鏡的孔徑相當，所述環(huán)帶的位相分布為同一圓環(huán)內的位相值是相同的，所述相鄰環(huán)帶的位相值是0和φ相間的。本實用新型可對激光束遠場衍射光斑各級譜光強度進行修正，實現(xiàn)特定各級譜的等強度圓環(huán)形光強分布。本實用新型給出了優(yōu)化后能滿足激光遠場衍射各級譜在峰值強度差在10％以內要求下的位相板制造參數(shù)，可用于光束整形、激光顯示、激光光束耦合、強激光能量集中和波前平頂化和其它需要多級圓環(huán)形遠場衍射光斑的各種儀器中。
文檔編號G02B5/18GK2639909SQ0322847
公開日2004年9月8日 申請日期2003年1月28日 優(yōu)先權日2003年1月28日
發(fā)明者周常河, 賈佳, 劉立人 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所