CN100451689C - 偏振透镜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种偏振透镜及其制备方法，该偏振透镜是在菲涅耳波带片的环带结构的基础布设有高频载波光栅，而且不同圆环之间的高频载波光栅有整体的位置移动，成为既具有偏振功能，又有聚焦功能的新的光学元件。本发明偏振透镜的最大优点是可以产生连续位相编码的高效率的透镜函数。本发明偏振透镜的功能是现有的单个透镜所无法实现的。本发明偏振透镜实现偏振模式的激光聚焦，是一个新的技术方向，有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及透镜，特别是一种偏振透镜及其制备方法，更具体地说，是一种采用位置调制纳米光栅编码的偏振透镜。其基本思想是利用光栅的偏振特性，实现偏振分光的功能；利用空间位置移动的位相编码技术，实现透镜的功能。
背景技术
透镜是一种广泛使用的光学元件。一般来说，透镜是由玻璃通过研磨和抛光加工而成的具有聚焦功能的球形或者抛物面形的表面。一般来说，透镜本身并不具有偏振特性。需要使用偏振片、二分之一或者四分之一波片等偏振元件，才能实现对偏振光的控制。
二元光学技术可以将连续透镜的位相函数离散化，制成叫做菲涅耳波带片的二元光学元件，以实现聚焦功能。问题是透镜的连续的位相函数很难由有限的位相台阶来实现的，特别是在边缘处，菲涅耳波带片的线宽急剧减少，这使得这种菲涅耳波带片的加工难度很大。菲涅耳波带片的中心线宽较宽，远大于波长，而且，一般来说，菲涅耳波带片是没有偏振的。
光栅的偏振依赖性取决于光栅的周期。如果光栅的周期远大于光的波长，则光栅也是没有偏振依赖性的。光栅的周期和光的波长相接近的光栅，叫做高频光栅。一般来说，高频光栅会有强烈的偏振依赖性。本发明所述的高频光栅是指光栅周期小于二分之三波长而大于二分之一的波长的光栅。此时，仅有零级光和-1级的衍射光存在。在这种情况下，高频光栅又有偏振无关型结构和偏振分光型结构。所谓偏振无关型高频光栅就是对于TE(S偏振)/TM(P偏振)两个偏振方向的光，在-1级次上都具有高的衍射效率；所谓偏振分光型高频光栅，会表现出偏振的分光性，即一个偏振方向的光在一个方向上传播，而另一个偏振方向的光在另一个方向上传播。
本发明所述的光栅是指偏振分光型高频光栅中的几种特殊的光栅，利用这几种特殊的高频光栅做为本发明的载波光栅。但是这几种高频光栅本身并不具有聚焦的功能，也就是无透镜功能。实现本发明的偏振透镜还需采用编码技术。
空间位置移动的位相编码技术，叫做detour phase技术，这是计算机全息图的发明者Lohmann教授最早提出的位相编码技术，也就是利用空间位置的移动实现等效位相的编码技术。见在先技术1[A.W.Lohmann，and D.P.Paris，Binary Fraunhofer holograms，generated by computer.Applied Optics，6，1739-1748(1967)]，这个技术最早是采用黑白象素作为全息编码单元，不透光的象素吸收大量的光能量，效率低，后来在实际应用中，逐渐被二元光学技术所替代。但是把高频光栅作为编码的单元，情况就完全不同了。不论是偏振无关型还是偏振分光型高频光栅，都可以实现很高的衍射效率。这个编码方法适用于偏振分光型，也适用于偏振无关型。利用偏振无关型的高频光栅的这一特性，结合空间位置移动的位相编码技术，周常河最近发明了纳米光栅调制的计算机全息图，见在先技术2[周常河，”纳米光栅调制的全息图的制备方法”，发明专利，申请号：200610028627.3]。利用这个技术，任意位相的计算机全息图都可以通过对高频光栅的位置移动的编码方法来实现，因此，高效率的计算机全息图就可以实现，而且是偏振无关的。在先技术2给出的编码方法和实验结果证明了光栅的位置移动编码是完全可行的。但是在先技术2中仅仅给出了方形象素的二维编码方法。
偏振分光型的高频光栅可以通过周期d和深度h优化设计得到，能在零级或负一级次上实现不同的偏振分光，具有很高的衍射效率和偏振分光隔离度。在先技术3【周常河，王博，“1550纳米波长的石英透射偏振分束光栅”，发明专利，申请号200610023421.1】和在先技术4【周常河，王博，“1550纳米波长的石英反射偏振分束光栅”，发明专利，申请号：200610023420.7】给出了透射式和背入射反射式两种亚波长光栅实现偏振分光的结构，特殊的高频光栅可以很高的衍射效率和很高的隔离度实现偏振分光，但是无法实现聚焦功能。
偏振透镜是个独立的光学元件，具有非常广泛的应用价值，有必要给出其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种偏振透镜及其制备方法，利用纳米光栅的位置编码技术，制备高效率的偏振透镜。
本发明的技术解决方案如下：
一种偏振透镜，其特点是所述的偏振透镜是在菲涅耳波带片的环带结构的基础布设有高频载波光栅，该高频载波光栅是指光栅周期d小于二分之三波长而大于二分之一的波长λ0的光栅，且该高频载波光栅在不同圆环位相处有整体上的平移，该平移量满足式中，Δx(x，y)是高频载波光栅在水平x方向上的平移量，d是光栅的周期，
是菲涅耳透镜在(x，y)处的位相函数。
一种偏振透镜的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
第一，确定偏振透镜所使用光的波长λ0和外形几何尺寸；
第二，确定菲涅耳波带片的圆环结构；
第三，通过严格的矢量衍射算法确定高频载波光栅的周期d和深度h，获得高频载波光栅，所述的高频载波光栅是指光栅周期d小于二分之三波长而大于二分之一的波长λ0的光栅；
第四，将高频载波光栅和所述的菲涅耳波带片结构相结合，计算高频载波光栅在不同圆环位相处的整体上的平移量：
式中：Δx(x，y)是高频载波光栅在水平x方向上的平移量，d是光栅的周期，
是菲涅耳透镜在(x，y)处的位相函数；
第五，采用微电子加工装置，通过刻蚀技术，加工出具有上述结构的偏振透镜。
所述的菲涅耳波带片的圆环结构是指x、y两个轴向半径相等的圆环，高频载波光栅在不同圆环位相处的整体上的平移量Δx(r)为：Δx(r)＝(d/λ0)(f-(f2+r2)1/2)，式中：f是透镜的焦距，r是半径，λ0是波长。
所述的第五步制成的偏振透镜，再镀上反射膜，形成反射式偏振透镜。
所述的微电子加工装置为电子束装置或聚焦离子束装置。
下面介绍如何利用载波光栅的多种偏振效应制备偏振透镜的方法。
本发明的做法是使载波光栅周期在不同圆环位相处有整体上的平移，如图1所示。平移量的大小Δx(x，y)决定了所调制位置区域内位相的大小，
式中，Δx(x，y)是载波光栅在水平x方向上的平移量，d是光栅的周期，
是菲涅耳透镜在x，y处的位相函数。
这个公式(1)给出了任意位相调制的编码方法，可以设计x，y两个轴向半径相等的圆形，或者x，y两个轴向半径不等的椭圆形的任意位相调制函数。对于x，y两个轴向半径相等的标准圆环情况，如图1所示，可以用一个半径r来表示光栅移动量Δx(r)：
Δx(r)＝(d/λ0)(f-(f2+r2)1/2) (2)
式中：f是透镜的焦距，r是半径，λ0是波长。利用这个函数可以完成透镜的位置移动编码。公式(2)是对于任意位相函数的编码，如图1所示。对于简单二值0，π位相编码，此时，半周期的调制等效于π位相的调制，如图2所示。一般来说，通过位置的移动，可以实现任意位相的调制。由于位置的调制几乎可以任意控制，这样就可以实现非常高的位相调制精度。也就是说，只有纳米调制精度的光栅位移，才能实现这样的等效的任意位相调制的要求。从目前的技术水平来看，电子束或聚焦离子束装置，可以提供纳米级的位置控制精度。可以实现数字调制、位置编码的偏振透镜。这是一个全新的数字调制纳米衍射偏振光学元件，它可以在高频光栅的零级和-1级次上产生不同偏振光的聚焦功能。这样，至少在原理上，多种偏振透镜都可以通过这个技术来实现。
以往的菲涅耳波带片的各个环带内是没有光栅调制的，也就是各个环带内是没有任何调制的，其位相是一样的。本发明采用了光栅的调制，也就是所有环带内都有载波光栅；载波光栅是特定优化的高频光栅，可以实现不同的偏振分光特性；每个环带内光栅的整体移动量和菲涅耳波带片的位相相对应，以此来实现聚焦功能。注意不是任意光栅都可以采用，只有特定的高频光栅可以实现高效率的偏振分光效应，并具有很高的偏振度。无空间位置编码的光栅没有聚焦作用。只有满足公式(1)和(2)所描述的位置编码光栅的菲涅耳波带片才可以实现偏振透镜的工作。更准确地说，只有采用纳米数字位置编码的光栅，其移动量符合公式(1)或公式(2)，才有可能实现偏振透镜的功能。
本发明的技术效果：
采用位置移动的编码技术，可以应用于任何一种载波光栅。载波光栅可以有多种优化的结构，产生不同的偏振效应，本发明制备的偏振透镜可实现多种偏振分光聚焦的效果。
附图说明
图1为本发明偏振透镜的任意位相圆环编码原理示意图。
图2为本发明偏振透镜的π位相圆环编码原理示意图。
图3为本发明偏振透镜实施例2，TM(P)偏振光在光栅-1级方向上聚焦示意图。
图4为本发明偏振透镜实施例3，TE(S)偏振光在光栅-1级方向上聚焦示意图。
图5为本发明实施例4，反射式偏振透镜的TE偏振光在光栅-1级方向上聚焦的示意图。
图6为本发明实施例5，背入射式偏振透镜的TM偏振光在光栅-1级方向上聚焦的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明偏振透镜的制备方法，包括五个步骤：
第一，确定偏振透镜使用光的波长。这一点和传统的菲涅耳波带片一样，偏振透镜需要在特定的波长下工作，不同的光波长需要采用不同的结构；
第二，确定菲涅耳波带片的圆环结构，菲涅耳波带片圆环的个数和尺寸和传统的菲涅耳波带片一样。不同的是传统的菲涅耳波带片需要通过不同的位相深度来实现高的效率，偏振透镜采用的是光栅位置移动编码控制；
第三，选择优化的光栅。这里合适的光栅指的是对于反射式或者透射式，对于任意一种偏振，或者偏振无关，在任意一种波长下使用，总可以通过严格的矢量衍射理论找到优化的光栅结构，这种优化的光栅就是本发明的合适的光栅，它可以实现高效率的偏振分光和高的偏振隔离度。
第四，这是本发明的核心步骤，将优化的光栅和菲涅耳波带片结构相结合，通过光栅的位置调制，也就是通过公式(1)或公式(2)，设计出偏振透镜的结构。它可以实现反射式或者透射式，对于任意一种偏振聚焦，或者同时对于两种偏振在一个方向上聚焦。
第五，采用微电子加工技术，通过合适的刻蚀技术，加工出这样的透射式偏振透镜。
也可以镀上反射膜，实现反射式的偏振透镜。
下面是本发明的几个实施例：
实施例1
采用光栅的周期为482纳米，石英光栅的刻蚀深度为1.92微米，填充因子(线宽/周期)为0.5。用电子束直写装置，写出6个圆环。采用图2所示的0，π位相编码，设计焦距为10毫米，6个环的半径分别为79.5487，137.7824，177.8764，210.4661，238.6462，263.8333。当用氦氖激光器的TE波照明时，如图3所示，当用TM波照射时，偏振透镜使得在光栅的-1级方向上实现了聚焦，TE波高效率地出现在光栅的零级上。
实施例2
图3为TM(P)偏振光在光栅-1级方向上聚焦示意图。对于632.8nm氦氖激光的波长，光栅的周期为482nm，石英光栅的刻蚀深度为1.92微米，填充因子为0.5，采用图1、图2的编码结构，实现偏振透镜的功能，实现TM出现在-1级方向上聚焦。载波光栅也可以采用Lalanne等人报道过的偏振光栅，TE出现在零级方向上，TM出现在-1级方向上聚焦，但是所用材料不同，结构参数不同，入射角度和填充因子均不同，见在先技术5，Lalanne，P.，etal J.Opt.A：Pure Appl.Opt.1，215-219(1999).当然，他们的工作并没有采用编码技术，所以没有聚焦功能。
实施例3
图4为TE(S)偏振光在光栅-1级方向上聚焦示意图。该载波光栅可以采用在先技术3报道的偏振光栅结构，当石英光栅周期为866-912纳米，刻蚀深度为1.91-2.0微米，光栅填充因子为1/2，可以实现高效率和高隔离度的偏振分光。采用这个载波光栅的偏振透镜使得TE偏振光在光栅的-1级上聚焦，TM偏振光在光栅的零级方向上传播。
实施例4
图5反射式偏振透镜的TE偏振光在光栅-1级方向上聚焦的示意图。该载波光栅可以采用Cescato等人报道了反射式的偏振分光光栅，对于氦氖激光的633nm激光，光栅周期为855nm，光栅深度为300nm，填充因子为0.54，TM光出现在入射光的零级方向，效率为85％；TE光出现在-1级方向上，效率为82％。见在先技术6，L.L.Soares，L.H.Cescato，Applied Optics 40，5906-5910(2001)。采用这个类型光栅作为载波光栅的偏振透镜，使得TE光沿光栅的-1级方向聚焦，而TM光沿光栅的反射零级方向上传播。
实施例5
图6背入射式偏振透镜的TM偏振光在光栅-1级方向上聚焦的示意图。载波光栅可以采用在先技术4报道的石英光栅，光栅周期为692-710微米，刻蚀深度为1.98-2.0微米。在背入射方式下，该偏振透镜会使得TM波聚焦出射在-1级方向上，而TE波出射在零级方向。
值得强调的是，以上的光栅优化结构，对于任意一种波长，都可以通过严格衍射矢量理论计算得到。本发明可以应用于任何一种载波光栅，对于任何一种波长的高效率的偏振分光光栅都可以作为本发明的载波光栅。图3-6仅仅是其中几种优化偏振分光光栅，本发明的基本原理适用于所有这些类型光栅，都可以通过优化光栅作为载波光栅，利用光栅的高衍射效率和偏振隔离度，实现偏振透镜功能。
利用纳米调制技术，在高频光栅的不同级次上实现了高效率的偏振透镜，这一点是以往任何透镜不具备的。采用不同的编码光栅结构，实现不同偏振分光透镜。这种结构可以是透射式，也可以是反射式。由于本发明是光栅位置移动编码，可以设计两个轴向不同比例的聚焦，用以校正光束的倾斜；也可以设计抛物面型或其他编码，以实现更多的象差校正等功能。本发明是利用纳米衍射实现透镜的新方向，这意味着多种光栅的偏振效应都可以用这个方法实现透镜功能。偏振透镜的应用领域和范围之广，是可以想象的。
Claims (5)
1、一种偏振透镜，其特征在于所述的偏振透镜是在菲涅耳波带片的环带结构的基础布设有高频载波光栅，该高频载波光栅是指光栅周期d小于二分之三波长而大于二分之一的波长λ0的光栅，且该高频载波光栅在不同圆环位相处有整体上的平移，该平移量满足式中，Δx(x，y)是高频载波光栅在水平x方向上的平移量，d是光栅的周期，
是菲涅耳透镜在(x，y)处的位相函数。
2、一种偏振透镜的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
第一，确定偏振透镜所使用光的波长λ0和外形几何尺寸；
第二，确定菲涅耳波带片的圆环结构；
第三，通过严格的矢量衍射算法确定高频载波光栅的周期d和深度h，获得高频载波光栅，所述的高频载波光栅是指光栅周期d小于二分之三波长而大于二分之一的波长λ0的光栅；
第四，将所述的高频载波光栅和所述的菲涅耳波带片结构相结合，计算高频载波光栅在不同圆环位相处的整体上的平移量：
式中：Δx(x，y)是高频载波光栅在水平x方向上的平移量，d是光栅的周期，
是菲涅耳透镜在(x，y)处的位相函数；
第五，采用微电子加工装置，通过刻蚀技术，加工出具有上述结构的偏振透镜。
3、根据权利要求2所述的偏振透镜的制备方法，其特征在于所述的菲涅耳波带片的圆环结构是指x、y两个轴向半径相等的圆环，高频载波光栅在不同圆环位相处的整体上的平移量Δx(r)为：Δx(r)＝(d/λ0)(f-(f2+r2)1/2)
式中：f是透镜的焦距，r是半径，λ0是波长。
4、根据权利要求2所述的偏振透镜的制备方法，其特征在于所述的第五步制成的偏振透镜，再镀上反射膜，形成反射式偏振透镜。
5、根据权利要求2至4任一项所述的偏振透镜的制备方法，其特征在于所述的微电子加工装置为电子束装置或聚焦离子束装置。
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