CN102667544B

CN102667544B - 具有聚焦能力的非周期性光栅反射镜及其制作方法

Info

Publication number: CN102667544B
Application number: CN200980160995.5A
Authority: CN
Inventors: 戴维·A·法塔勒; 李晶晶; 雷蒙德·G·博索雷; 马科斯·菲奥伦蒂诺
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: US20120105962A1; EP2454619A4; US10436956B2; CN102667544A; EP2454619A1; WO2011008216A1; US9423539B2; US20160341855A1

Abstract

本发明的方面涉及可被配置为作为镜和其它光学装置工作的平面亚波长介质光栅。在一个方面，光栅层(102)具有平面几何形状且被配置有线条(206、207)。线条宽度、线条厚度以及线条周期间隔(208)被选择以控制从光栅反射的光束的不同部分的相变，使得相变共同产生从光栅反射的光束的期望波前形状。

Description

具有聚焦能力的非周期性光栅反射镜及其制作方法

技术领域

本发明实施例涉及光学装置，具体地涉及亚波长光栅反射镜。

背景技术

在20世纪90年代初人们就认识到介质光栅中的谐振效应对自由空间的光学滤波和检测具有应用前景。谐振效应通常发生在亚波长光栅中，其中一级衍射模不是对应于自由传播的光而是对应于在一些介质层中捕获的导波。所捕获的波在零衍射级中被重新散射，并与入射光相互作用，以产生透射和反射的显著调制。当使用高指数对比光栅时，导波被迅速散射且在横向传播的并不远。因此，谐振特性可为相当宽的频带并具有高的角度公差，这已经用于设计新型高反镜。近来，亚波长光栅镜已用于替代垂直腔面发射激光器中顶部介质堆栈，并应用于新型微机电装置中。除了更加紧凑以及制造相对便宜外，亚波长光栅镜还提供偏振控制。

虽然近几年在亚波长光栅方面已有一些进展，但设计者、制造者以及光学装置的使用者仍在寻求可拓宽光栅应用的可能范围的光栅改进。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例配置的亚波长光栅的等轴测图。

图2示出了根据本发明实施例的配置有一维光栅图案的亚波长光栅的光栅层的俯视图。

图3示出了根据本发明实施例的来自两个分离的光栅子图案的线条显示反射光所获得的相位的截面图。

图4示出了根据本发明实施例的来自两个分离的光栅子图案显示波前如何变化的线条的截面图。

图5示出了由根据本发明实施例所配置的光栅图案产生的示例性相变等值线图的等轴测图。

图6A示出了根据本发明实施例被配置为将入射光聚焦到焦点的亚波长光栅的侧视图。

图6B示出了根据本发明实施例被配置并作为发散镜工作的亚波长光栅的侧视图。

图7示出了根据本发明实施例所配置的亚波长光栅的反射率和相移相对于一入射光波长范围的图。

图8示出了根据本发明实施例获得的作为周期和占空比的函数的相位变量的相位等值线图。

图9示出了根据本发明实施例用于产生其中允许周期和占空比改变的光栅图案的控制流程图。

图10A示出了根据本发明实施例被配置为作为聚焦柱面镜工作的一维亚波长光栅的俯视图。

图10B示出了根据本发明实施例沿图10A中所示的线10B-10B截取的亚波长光栅的截面图。

图11示出了根据本发明实施例确定的柱面镜的目标相变的示例性图。

图12示出了根据本发明实施例的占空比的图。

图13示出了根据本发明实施例的产生聚焦亚波长光栅柱面镜的光栅图案的方法的控制流程图。

图14示出了根据本发明实施例被配置为作为聚焦球面镜工作的一维亚波长光栅的俯视图。

图15示出了根据本发明实施例的球面镜的目标相变的示例性图。

图16示出了根据本发明实施例的产生聚焦亚波长光栅球面镜的球面镜光栅图案的方法的控制流程图。

图17示出了根据本发明实施例所配置的计算装置的示意图。

图18A示出了根据本发明实施例被配置为将垂直入射的光反射到特定方向的一维亚波长光栅的俯视图。

图18B示出了根据本发明实施例工作的沿图18A中所示的线18B-18B截取的亚波长光栅的截面图。

图19A示出了根据本发明实施例被配置为作为沿平行于x方向偏振的入射光的发散柱面镜工作的一维亚波长光栅的俯视图。

图19B示出了根据本发明实施例沿图19A所示的线19B-19B截取的亚波长光栅的截面图。

图20示出了根据本发明实施例所制作的平面亚波长光栅镜、柱面亚波长光栅镜以及球面亚波长光栅镜的光束分布和反射光束半径。

具体实施方式

本发明实施例涉及可被配置为作为镜和其它光学装置工作的平面亚波长介质光栅(SWG)。SWG由两层构成。光栅层可布置在基板的表面上，其中光栅层由折射率相对高于基板的折射率的材料制成，或光栅层可简单地制作在悬浮膜中，而无需基板。根据本发明实施例配置的SWG具有包括相前控制的新功能。这可通过将具有光栅图案的光栅层配置为控制从SWG反射的光的相变而基本上不影响SWG的高反射率来实现。在特定实施例中，光栅层可被配置为使得SWG可作为任意类型的具有任意反射面的光学装置工作。具体地，SWG的光栅层可被配置为具有使SWG可作为柱面镜或球面镜工作的光栅图案。本发明实施例还包括利用常规的光刻和蚀刻技术图案化光栅层以产生被反射的光束在镜上的特定相变的方法和配置规则。

在下面的描述中，术语“光”指代电磁辐射，其波长位于电磁频谱的可见光和不可见光部分内，包括电磁频谱的红外和紫外部分。

I平面亚波长介质光栅

图1示出了根据本发明实施例配置的SWG 100的等轴测图。SWG 100包括布置在基板104的一个表面上的光栅层102，其中光栅层102由折射率相对高于基板104的折射率的材料形成。例如，光栅层102可由硅(Si)形成，基板104可由石英或二氧化硅(SiO₂)形成，或者光栅层102可由砷化镓(GaAs)形成，基板104可由铝镓砷(AlGaAs)或氧化铝(Al₂O₃)形成。如在图1的示例中所示，SWG 100具有平面几何形状，但光栅层102可被配置为具有特定光栅图案，该光栅图案使SWG 100可以与其它的光学装置(例如聚焦和发散柱面或球面镜)一样以相同的方式工作。在其它的实施例中，可通过在由Si、GaAs、磷化铟(InP)或另外的适合的材料组成的单膜中形成光栅层102而去掉基板。

SWG 100的具体反射特性是由为光栅层102选择的光栅图案来确定。图2示出了根据本发明实施例的配置有一维光栅图案的SWG 200的光栅层的俯视图。该一维光栅图案由多个一维光栅子图案构成。在图2的示例中，三个示例性光栅子图案201-203被放大。每个光栅子图案包括布置在基板104的表面上的光栅层102材料的多个规则间隔开的线状部分，称之为“线条”。线条沿y方向延伸，且沿x方向周期性间隔开。图2还包括光栅子图案202的放大端视图204。阴影矩形206和207表示由折射率相对高于基板104的折射率的材料形成的线条。线条206和线条207被沿z方向延伸且使基板104的表面暴露的槽208分开。每个子图案的特征在于线条的特殊周期性间距和在x方向上的线条宽度。例如，子图案201包括以周期p₁分开的宽度为w₁的线条，子图案202包括以周期p₂分开的宽度为w₂的线条，子图案203包括以周期p₃分开的宽度为w₃的线条。

光栅子图案201-203形成了可优先反射沿一个方向，如x方向(假如周期p₁、p₂、和p₃小于入射光的波长)偏振的入射光的亚波长光栅。例如，根据入射光的波长，线条宽度可从大约10nm至大约300nm之间变化，周期可从大约20nm至大约1μm之间变化。从一个区域反射的光获得由线条厚度t确定的相位和由确定的占空比η，其中w为线条宽度，p为与该区域相关的线条的周期。

需要注意的是，通过调节线条的周期、线条宽度以及线条厚度，SWG 200可配置为反射入射光的x偏振分量或y偏振分量。例如，特定的周期、线条宽度和线条厚度可适于反射x偏振分量而不适于反射y偏振分量；另一周期、线条宽度和线条厚度可适于反射y偏振分量而不适于反射x偏振分量。

光栅子图案201-203中的每一个也由于与每一个子图案相关的不同占空比和周期而不同地反射沿一个方向(比方说x方向)偏振的入射光。图3示出了根据本发明实施例的来自两个分离的光栅子图案的线条显示反射光所获得的相位的截面图。例如，线条302和线条303可为第一子图案中的线条，线条304和线条305可为基板104上别处的第二子图案中的线条。线条302和线条303的厚度t₁大于线条304和线条305的厚度t₂，且与线条302和线条303相关的占空比η₁也大于与线条304和线条305相关的占空比η₂。沿x方向偏振且入射到线条302至305上的光，被线条302和303捕获的时间周期相对长于被线条304和线条305捕获的部分入射光的时间周期。因此，从线条302和线条303反射的部分光获得的相移大于从线条304和线条305反射的部分光获得的相移。如图3的示例中所示，入射波308和310以近似相同的相位射入线条302-305，但从线条302和线条303反射的波312获得的相移φ相对大于从线条304和线条305反射的波314获得的相位φ′(φ＞φ′)。

图4示出了根据本发明实施例的揭示波前如何变化的线条302-305的截面图。如在图4的示例中所示的，具有基本均匀的波前402的入射光射入线条302-305和第二表面104，产生具有弯曲的反射波前404的反射光。弯曲的反射波前404是由入射波前402的与具有相对较大的占空比η₁和厚度t₁的线条302和线条303相互作用的部分以及相同的入射波前402的与具有相对较小的占空比η₂和厚度t₂的线条304和线条305相互作用的部分造成的。反射波前404的形状与射入线条302和线条303的光所获得的较大相位相对于射入线条304和线条305的光所获得的较小的相位相一致。

SWG 200可被配置为施加给反射光特定的相变，而维持相当高的反射率。具体地，被配置有一维光栅图案的SWG可向垂直于线条偏振的反射光施加相变，如上参照图2-4所述的。

图5示出了根据本发明实施例的由光栅层504的特定光栅图案产生的示例性相变等值线图502的等轴测图。等值线图502表示从SWG 500反射的光所获得的相变的大小。在图5所示的示例中，光栅层504中的光栅图案产生倾斜的高斯形的相位等值线图502，在光栅层504的中心附近反射的光所获得的相位最大。反射光所获得的相位的大小从光栅层504的中心向外逐渐减小。例如，从子图案506反射的光获得相位φ₁，从子图案508反射的光获得相位φ₂。由于φ₁比φ₂大得多，因此从子图案506反射的光获得的相位比从子图案508反射的光获得的相位大得多。

相变反过来形成从SWG反射的光的波前的形状。例如，如上参照图3所述的，与具有相对较小的占空比的线条相比，具有相对较大的占空比的线条在反射光中产生较大的相移。因此，波前的从具有第一占空比的线条反射的第一部分落后于同一波前的从被配置有第二相对较小的占空比的另一组线条反射的第二部分。本发明实施例包括图案化SWG的光栅层，以控制相变，并最终控制反射波前，使得SWG可作为具有特定光学特性的光学装置(例如会聚镜或发散镜)工作。

图6A示出了根据本发明实施例的具有被配置为将入射光聚焦到焦点604的光栅层602的SWG 600的侧视图。在图6A的示例中，光栅层602被配置为具有光栅图案，使得沿x方向偏振的入射光反射，其中波前与将反射光聚焦在焦点604处对应。另一方面，图6B示出了根据本发明实施例的被配置并作为发散镜工作的SWG 610的侧视图。在图6B的示例中，光栅层612被配置为具有光栅图案，使得沿x方向偏振的入射光反射，其中波前与光从焦点604发射对应。下面将在题为柱面镜和球面镜的子部分中更详细地描述关于聚焦和发散光的实施例。

II设计亚波长光栅

本发明实施例包括可将SWG设计为作为可向反射光引入期望的相前的镜工作多种方式。上面图5中描述了被设计为可在反射光中产生特定相变的SWG的示例。第一种方法包括确定SWG的光栅层的反射系数分布。反射系数为由表示的复值函数，其中R(λ)为SWG的反射率，φ(λ)为由SWG产生的相移或相变。图7示出了根据本发明实施例的包括布置在石英基板上的Si光栅层的SWG的反射率和相移相对于一入射光波长范围的图。在该示例中，光栅层被配置有一维光栅且在垂直入射状态工作，其中电场垂直于包括光栅层的线条偏振。在图7中，曲线702对应于反射率R(λ)，曲线704对应于由SWG对处于大约1.2μm至大约2.0μm的波长范围内的入射光产生的相移φ(λ)。反射率曲线702和相位曲线704可利用公知的有限元方法或严格耦合波分析来确定。由于Si和空气之间强烈的折射率对比，因此光栅具有高反射率的较宽的光谱区域706。然而，曲线704显示出反射光的相位在虚线708和虚线710之间的整个高反射率光谱区域内变化。

当线条的周期和宽度的空间尺寸根据因子α均匀变化时，反射系数分布基本保持不变，但具有由因子α缩放的波长轴线。换言之，当一光栅被设计为在自由空间波长λ₀处具有特定反射系数R₀时，在另一波长λ处具有相同反射系数的新的光栅可以通过将所有光栅几何参数，例如周期、线条厚度以及线条宽度，乘以因子α＝λ/λ₀而设计出，给出r(λ)＝r₀(λ/α)＝r₀(λ₀)。

另外，可通过在高反射率谱窗口706内对原始周期性光栅的参数进行非均匀缩放而设计出具有|R(λ)|→1，但具有空间上变化的相位的光栅。假设期望在从SWG上的具有横坐标(x，y)的点反射的部分光上引入相位φ(x，y)。在点(x，y)附近，具有缓慢变化的光栅缩放因子α(x，y)的非均匀光栅在局部表现得就像该光栅为具有反射系数R₀(λ/α)的周期性光栅一样。因此，给定一个在某波长λ₀下具有相位φ₀的周期性光栅设计，选择一个局部缩放因子α(x，y)＝λ/λ₀得出在工作波长λ下φ(x，y)＝φ₀。例如，假设期望在从SWG设计上的一点(x，y)反射的一部分光上引入大约为3π的相位，而为点(x，y)所选择的线条宽度和周期引入大约为π的相位。现在参照图7的曲线图，期望的相位φ₀＝3π对应于曲线704上的点712，且波长λ₀≈1.67μm(714)，与点(x，y)相关的相位π对应于曲线704上的点716，且波长λ≈1.34μm。因此，缩放因子为α(x，y)＝λ/λ₀＝1.34/1.67＝0.802，通过乘以因子α可调整点(x，y)处的线条宽度和周期，以在工作波长λ＝1.34μm下获得期望的相位φ₀＝3π。

图7中示出的反射率和相移与一波长范围的关系的曲线图表示一种可确定SWG的例如线条宽度、线条厚度以及周期等参数以向从SWG的特定点反射的光引入特定相位的方式。在其它的实施例中，也可以使用作为周期和占空比的函数的相位变量来构建SWG。图8示出了根据本发明实施例的利用公知的有限元方法或严格耦合波分析所获得的作为周期和占空比的函数的相位变量的相位等值线曲线图。等值线，例如等值线801-803，各自对应于从具有位于该等值线的任意位置处的周期和占空比的光栅图案反射的光所获得的特定相位。相位等值线以0.25π弧度隔开。例如，等值线801对应于施加给反射光-0.25π弧度的相位的周期和占空比，等值线802对应于施加给反射光-0.5π弧度的相位的周期和占空比。处于-0.25π弧度和-0.5π之间的相位被施加给从具有位于等值线801和等值线802之间的周期和占空比的SWG发射的光。对应于700nm的光栅周期和54％的占空比的第一点(p，η)804和对应于660nm的光栅周期和60％的占空比的第二点(p，η)806二者均位于等值线801上。具有由第一点804表示的周期和占空比的光栅图案与由第二点806表示的光栅图案一样向反射光引入相同的相位φ＝-0.25π弧度。

图8还包括处于相位等值面上的95％和98％的反射率的两条反射率等值线。虚线等值线808和810对应于95％的反射率，实线等值线812和814对应于98％的反射率。位于等值线808和等值线810之间任意位置的点(p，η，φ)具有最小反射率95％，位于等值线812和等值线814之间任意位置的点(p，η，φ)具有最小反射率98％。

可使用由相位等值线图表示的点(p，η，φ)来选择可作为具有最小反射率的特定类型的镜工作的光栅的周期和占空比，如在以下子部分中所描述的。换言之，可利用图8的相位等值线图中表示的数据来设计SWG光学装置。在特定实施例中，可固定周期和占空比而改变其它的参数，来设计和制作SWG。在其它的实施例中，可改变周期和占空比二者来设计和制作SWG。

III制作亚波长介质光栅的方法

本发明实施例包括用于设计光栅以作为透镜工作的一般方法，其中可通过在图8中所示的相位等值面的选定的反射率区域内选择沿任意适合的方向取向的连续相位分布，来改变周期和占空比。例如，虚线816表示在98％的最小反射率区域内的相位等值面上为SWG镜选定的相位分布φ。如下可确定变量周期和占空比：

考虑沿相位等值面的期望的反射率区域内的连续曲线，例如由图8的线816表示的曲线，选定的目标相位分布φ＝Ψ(x)。表示相位分布φ＝Ψ(x)的线还可被描述为一维参数函数φ＝Φ(t)，其具有表示周期p＝P(t)和占宽比η＝H(t)的参数t的对应参数函数。换言之，在目标相位分布φ＝Ψ(x)上的任何点都可与参数t和由φ＝Φ(t)描述的对应的相位相联系，而对应的周期和占空比可由线性函数p＝P(t)和η＝H(t)表示。例如，Φ(t)可通过将φ＝Ψ(x)与沿着处于期望的最小反射率等值线之间的相位等值面的曲线，例如由图8中线816表示的曲线，相匹配来确定。将曲线投影到pη平面上产生可用参数方程P(t)和H(t)表征的线。透镜中心处的相位可由φ₀＝Ψ(x₀＝0)来确定。通过对值t＝t₀求解Φ(t)＝Ψ(x＝0)。集中在x＝0的线条的周期和占空比为p₀＝P(t₀)和η₀＝H(t₀)。根据如下所述的迭代过程逐个地得出透镜的中心和占空比：

假设周期号为n的中心位置为具有周期值p_n的x_n。下一周期的中心位置可通过方程(1)来确定，

方程(1)

x_{n + 1} = x_{n} + \frac{p_{n}}{2} + \frac{p_{n + 1}}{2}

其中x_n和p_n为已知的值，p_n+1是待确定的值。x_n+1的位置处的相位可通过在t＝t_n+1处的线Φ(t)来确定，其中t_n+1也为待确定的值。x_n+1处的相位还满足选择的相位分布Ψ(x)。因此

方程(2)Ψ(x_n+1)＝Φ(t_n+1)和

方程(3)p_n+1＝P(t_n+1)

将方程(1)和(3)代入方程(2)中得到

方程(4)

ψ (x_{n} + \frac{p_{n}}{2} + \frac{p_{n + 1}}{2}) = Φ (t_{n + 1})

方程(4)是只有一个未知t_n+1的函数，其可被数值解出。在得出t_n+1之后，根据方程(3)得出p_n+1，根据方程(1)得出x_n+1，而根据η_n+1＝H(t_n+1)计算出占空比。重复前面的迭代过程直至x_n≥A，其中A为指定的透镜半径。虽然对某些给出的连续线(Φ(t)，P(t)，H(t))，方程(4)可能无解。在实践中，这种情况应该很少发生。

图9示出根据本发明实施例的用于产生允许周期和占空比变化的光栅图案的控制流程图。在步骤901中，计算由图8中所示的相位等值线曲线图表示的相位等值线图，以大体上确定表示任意SWG光学装置的相位、占空比以及周期之间关系的数据集合{(p，η，φ)}。在步骤902中，确定相位等值线图的反射率等值线，例如图8中所示的95％的反射率的反射率等值线808和810。可在计算机可读介质中存储和从其获取相位等值线图{(p，η，φ)}和反射率等值数据，如以下参照图16所进行的更详细描述。注意，步骤901和902可一次执行，且通过步骤901和902产生的数据可用于步骤903-913的执行中，以确定聚焦和非聚焦SWG镜，或用于产生其它SWG光学装置的光栅图案。在步骤903中，可如上所述输入最小反射率、焦距、镜半径A。在步骤904中，可如以下参照图11和图15所述确定镜上的选定目标的相变φ＝Ψ(x)，。在步骤905中，将目标相位φ＝Ψ(x)与期望的反射率区域内的相位等值面的连续曲线，例如由图8的线816表示的关于最小反射率98％的曲线，相匹配。参数化目标相位φ＝Ψ(x)以获得一维参数函数φ＝Φ(t)。在步骤906中，根据φ₀＝Ψ(x₀＝₀)确定透镜中心处的相位。通过求解t＝t₀的值时的Φ(t)＝Ψ(x＝0)，根据p₀＝P(t₀)和η₀＝H(t₀)得出集中在位置x₀＝0的线的周期和占空比。在步骤907中，构造作为参数t_n的函数的周期p_n＝P(t_n)、占空比η_n＝H(t_n)以及相位φ_n＝Φ(t_n)的查找表。在步骤908中，将周期号n初始化为零。在步骤909中，利用牛顿法或其它适合于确定t_n+1的数值法在数值上求解t_n+1的方程(3)：

Ψ (x_{n} + \frac{p_{n}}{2} + \frac{P (t_{n + 1})}{2}) = Φ (t_{n + 1})

在步骤910中，给出t_n+1可从查找表确定周期p_n＝P(t_n)和占空比η_n＝H(t_n)。在步骤911中，可根据确定下一周期的中心位置。在步骤912中，当x_n+1小于A时，继续执行步骤913，其中可在计算机可读介质中存储三元组(x_n，p_n，η_n)，如下所述。在步骤914中，可将存储的值(x_n，p_n，η_n)发送到其中可制作具有输入参数的SWG的设计工具。在步骤915中，增加周期号。

现在考虑配置一个可操作为柱面镜的简单的基本平坦的SWG。该SWG具有可变线条宽度或占空比，而周期始终为常数。图10A示出根据本发明实施例放入被配置为操作为针对平行于x方向偏振的入射光的聚焦柱面镜的一维SWG的俯视图。图10B示出了根据本发明实施例的沿图10A中所示的线10B-10B截取的SWG 1000的截面图。如图10B所示，SWG 1000包括布置在基板1003的表面上的光栅层1002。光栅层1002可由折射率相对高于基板1003的折射率的材料制成。光栅层1002限定出沿y方向延伸SWG 1000的长度且在x方向具有长度2A的镜孔径。图10A-10B包括光栅层1002的阴影区域1004-1008。每个阴影区域表示在光栅层1002中形成的不同光栅子图案的线条，较暗的阴影区域，例如区域1004，表示占空比相对大于较浅阴影区域，例如区域1007，的占空比的区域。图10A还包括四个区域1004-1007的子区域的放大部分1010-1013，其显示出线条沿y方向平行延伸，并且在x方向线条周期p为常数或固定。放大部分1010-1013还显示出线条宽度w，换句话说是占空比η，从中心向外逐渐减小。如上参照图6A所述的，光栅层1002被配置为将沿x方向偏振的反射光聚焦到焦点。

在制作图10所示的SWG柱面镜1000之前，确定最小反射率、焦距f、镜孔径2A以及优选的周期范围p_min和p_max将最小反射率、焦距f和镜孔径2A限定为由用户根据旨在如何使用SWG镜1000或SWG镜1000旨在应用到的装置的类型而确定。例如，用户可能想将SWG镜1000应用于具有15mm的优选焦距和具有85％的最小反射率的系统中。另外，孔径不能超过10mm。优选的周期范围可能受限于在用于制作SWG镜1000的技术中的分辨率限制。

一旦确定了SWG镜的参数，即可确定在镜上沿x方向的期望或目标相变。对于柱形会聚镜，可根据表达式确定SWG镜上的目标相变，其中φ₀为最大的相移，R_M为球半径或镜的曲率(即R_M＝2f)，以及如图10所示，x表示与镜中心的距离，其中限定0≤x≤A。图11示出了根据本发明实施例确定的柱面镜的目标相位φ(x)的示例性图。在图11中，曲线1102对应于在从镜的中心x＝0到孔径x＝A的边缘的距离内的目标相位φ(x)，其中φ₀＝-2.6。换言之，目标相位φ(x)1102表示沿x方向偏振且从处于x＝0和x＝A之间的SWG镜反射的光所获得的期望相变。

图11中所示的目标相位φ(x)和图8中表示的相位等值线信息可结合起来用于确定SWG镜1000沿x方向的适当的固定周期和占空比。例如，假设要求的最小反射率为98％。对于固定周期SWG镜1000，通过将图10所示的目标相位φ(x)1002的点与图10的相位等值面的点相匹配可确定最佳的周期，其中限定周期处于p_min和p_max之间，点x＝0和x＝Aμm分别与98％的反射率等值线814和812相交。这等同于将相位φ(x)1102置于图10的p_min和p_max之间的等值面上的概念操作，其中，目标相位φ(x)1102的方向垂直于周期轴，使得x＝0和x＝Aμm分别与反射率等值线1014和1012相交，且目标相位φ(x)1102的值基本对应于相位等值面的值。现在参照图8所示的等值线图，点820和822之间的线818对应于基本与p_min和p_max之间的相位等值面的相位值匹配的相位φ(x)1102。98％的反射率等值线812上的点822对应于相位φ(A)，98％的反射率等值线814上的点820对应于相位φ(0)。线818与处于670nm的周期轴相交，670nm对应于最佳的固定周期。现在通过读取点820和822之间的占空比值可确定与SWG镜1000的沿x方向的区域相关的占空比。

图12示出根据本发明实施例的作为在x＝0和x＝A之间的x坐标的函数的占空比的图。曲线1202表示通过将目标相位φ(x)1102置于相位等值面上且从图8中的点820和822之间的占空比轴读取对应的占空比而确定的占空比η(x)。占空比η(x)1202可用于确定沿SWG镜1000的x方向上的点的占空比。x坐标与假设的目标相位φ(x)1102的周期p、相变、占空比以及线条宽度(即w＝ηp)之间的关系表示在查找表中：

表I

可通过提供x坐标、周期以及线条宽度作为对光刻微芯片加工工具，例如用于制作标准CMOS器件的加工工具的输入，而使用查找表I中表示的示例结果来制作SWG柱面镜。例如，可利用等离子体增强化学气相沉积法在大约300℃下沉积于石英基板上的厚度为450nm的非结晶Si中制作SWG柱面镜。利用工业氢倍半硅氧烷负性抗蚀剂、并利用电子束光刻可限定出光栅图案，将其在200μC/cm²下曝光，且在MIF 300显影剂的溶液中显影3分钟。显影之后，可利用CH₄/H₂反应性离子蚀刻将光栅图案去光阻，以清除光栅线条之间的槽中的残余的抗蚀剂。可利用HBr/O₂化学特性通过干蚀刻形成Si线条。在过程的最后，厚度为100nm的抗蚀剂层可保留在Si线条的上部，这包含于下述的数值模拟结果中。还可使用正性抗蚀剂利用光刻、纳米压印光刻或电子束光刻来制作光栅。

图13示出根据本发明实施例的用于产生聚焦SWG柱面镜的具有固定周期的光栅图案的方法的控制流程图。步骤1301和1302与上述的图9的步骤901和902相同。在步骤1303中，如上参照图10所述的，输入期望的最小反射率、焦距、镜的孔径2A以及优选的周期范围。在步骤1304中，如上参照图11所述的，计算镜上沿x方向的目标相变。在步骤1305中，如上参照图8所述的，可利用由最小反射率和周期范围施加的限定条件通过将目标相变与相位等值线图的一部分相匹配确定周期p。在步骤1306中，如上参照图12和表I所述的，确定表示相位和线条宽度之间的关系的查找表。在步骤1307中，将周期号n初始化为整数值-1。在步骤1308中，增加周期号。在步骤1309中，根据x＝np确定出x坐标。在步骤1310中，当x小于A时，该方法继续步骤1311。否则，该方法继续步骤1313。在步骤1311中，对于在步骤1309中确定的x，根据在步骤1306中确定的查找表确定出对应的相位。在步骤1312中，在计算机可读介质中x坐标和线条宽度存储为数据集合{(x，w)}。在步骤1313中，如上所述，将数据集合提供给用于制作具有在步骤1304中确定的目标相变的SWG柱面镜的设计工具。

在特定实施例中，通过使光栅层的线条从SWG的中心向外逐渐变细，具有恒定周期的SWG可被配置为作为沿特定方向偏振的入射光的球面镜工作。图14示出根据本发明实施例的被配置为作为沿x方向偏振的入射光的聚焦球面镜工作的一维SWG 1400的俯视图。SWG 1400包括由环形阴影区域1402-1406表示的光栅层1401。光栅层1401可由折射率相对高于基板1408的折射率的材料构成。光栅层1401限定从原点向外延伸具有半径a的圆形镜孔径。每个阴影环形区域表示形成于光栅层1401中的线条的不同光栅子图案。环形区域1402-1406的光栅子图案具有相同的占空比，如在四个放大部分1410-1413中所显示的。放大部分1410-1413示出了形成于光栅层1401中的光栅图案包括沿y方向伸展的在x方向具有恒定线条周期p的锥形线条。具体地，放大部分1410、1411以及1413为沿y方向平行于虚线1418伸展的相同线条1414和1416的放大部分。放大部分1410、1411和1413示出了周期p保持不变而线条1414和1416的宽度从光栅层1401的中心向外逐渐变窄。每个环形区域具有相同的占空比和周期。例如，放大部分1411和1412显示出环形区域1405包括具有基本相同的占空比的不同线条的部分。因此，环形区域的每个部分导致了从环形区域反射的光的相同的适当相移。例如，虚线圆1409表示从环形区域1405的任意处反射的光获取基本相同的相位φ的单个相移等值线。

SWG球面镜1400的制作类似于上述的SWG柱面镜1000的制作。在制作SWG球面镜1400之前，确定最小反射率、焦距f、镜孔径半径a以及优选的周期范围p_min和p_max。一旦确定出SWG球面镜1400的参数，就选定了镜上的从中心向外延伸的期望或目标相变。对于球形会聚镜，可根据表达式确定SWG镜上的目标相变，其中，φ₀为镜中心附近的最大相移，R_M为镜的球半径或曲率，r_rad为与镜的中心的孔径的半径，限定条件为0≤r_rad≤a和图15示出根据本发明实施例的球面镜的目标相位φ(r_rad)的示例性图。在图15中，虚曲线1502表示镜上的从镜的中心r_rad＝0到孔径边缘r_rad＝a的期望或目标相变φ(r_rad)。可以以上面参照图10所述的方式将目标相变与相位等值面匹配，以确定周期p、占空比η(r_rad)以及如上参照查找表I的相位的查找表和占空比值。图15还包括表示作为r_rad的函数的占空比η(r_rad)的变化。

用于产生球面镜光栅图案数据的方法类似于上面参照图13的控制流程图所述的用于产生柱面镜光栅图案数据的方法，但还包括阐述线条沿y方向逐渐变细的附加步骤。图16示出根据本发明实施例的产生沿x方向偏振的光的球面镜光栅图案的方法的控制流程图。步骤1601和1602分别与上面参照图13所述的方法的步骤1301和1302相同。在步骤1603中，如上所述，输入最小反射率、焦距、镜半径a以及优选的周期范围。在步骤1604中，如上参照图14所述，计算镜上的沿半径r_rad的目标相变。在步骤1605中，通过在由最小反射率和周期范围施加的限定条件下将目标相变φ(r_rad)与图8所示的相位等值线图的一部分相匹配来确定周期p。在步骤1606中，确定表示作为半径r_rad的函数的相位φ(r_rad)和对应的线条宽度的查找表。在步骤1607中，将数m初始化为整数值-1。在步骤1608中，增加m。在步骤1609中，根据y＝mt确定y坐标，其中t为y方向上的周期。在步骤1610中，当y小于a时，继续步骤1611。否则，继续步骤1612。在步骤1612中，将在下面的步骤1616和1618中创建的数据集合发送到用于加工的设计工具。在步骤1611中，将数n初始化为整数值-1。在步骤1612中，n增加。在步骤1614中，根据x＝np确定x坐标。在步骤1615中，当x小于a时，该方法继续步骤1616。否则，该方法返回并重复步骤1608-1614。在步骤1616中，对于分别在步骤1614和1609中确定的x和y，根据在步骤1606中确定的查找表来确定对应的相位。在步骤1618中，在数据文件中与x和y坐标一起记录对应于查找表中的相位的宽度w。

IV实施

通常，可在计算装置，例如台式计算机或笔记本电脑上实施上面参照图9、13以及16所述的用于产生SWG光栅图案数据的方法。图17示出根据本发明实施例所配置的计算装置1700的示意图。装置1700包括一个以上的处理器1702，例如中央处理器；一个以上的显示装置1704，例如显示器；设计工具接口1706；一个以上的网络接口1708，例如局域网LAN、无线802.11xLAN、3G移动WAN或WiMax WAN；以及一个以上的计算机可读介质1710。这些部件的每一个都可操作地耦接到一个以上的总线1712。例如，总线1712可为EISA、PCI、USB、FireWire、NuBus或PDS。

计算机可读介质1710可以为参与向处理器1702提供执行指令的任意合适的介质。例如，计算机可读介质1710可为非易失媒质，例如光盘或磁盘；易失媒质，例如储存器；以及传送媒质，例如同轴电缆、铜线以及光纤。传送媒质还可采用声波、光波或无线电频率波的形式。计算机可读介质1710还可存储其它的软件应用程序，包括文字处理软件、浏览器、电子邮件、即时消息、媒体播放器以及电话软件。

计算机可读介质1710还可存储操作系统1714，例如Mac OS、MSWindoWs、Unix或Linux；网络应用程序1716；以及光栅应用程序1718。操作系统1714可为多用户、多重处理、多重任务处理、多线程、实时等。操作系统1714还可执行基本任务，例如识别来自输入装置(例如键盘或键区)的输入；将输出发送到显示器1704和设计工具1706；在介质1710上记录文件和目录；控制外围装置，例如磁盘驱动器、打印机、图像捕获装置；以及管理一个以上的总线1712上的通信量。网络应用程序1716包括用于建立和维持网络连接的各种部件，例如用于执行包括TCP/IP、HTTP、以太网、USB以及FireWire的通信协议的软件。

光栅应用程序1718提供如上述的用于产生光栅图案数据的各种软件组件。在特定实施例中，由应用程序1718执行的一些或所有处理可集成到操作系统1714中。在特定实施例中，处理可至少部分在数字电子电路中或在计算机硬件、固件、软件中或在它们的任意结合中实施。

V其它亚波长光栅

本发明实施例不限于被配置为使沿特定方向偏振的光聚焦的柱面和球面镜。在更多的其它实施例中，SWG可配置为提供任意的相前形状调制。本发明实施例还可包括可配置为作为关于沿任意方向偏振的光的聚焦球面镜工作的平面SWG镜。

在特定实施例中，SWG可被配置为可以偏离表面法线的特定方向反射光。图18A示出了根据本发明实施例被配置为反射沿x方向偏振的垂直入射光的一维SWG 1800的俯视图。光栅层由区域1801-1806构成，其中由沿y方向延伸的线条形成的每一个区域具有相同的周期，但占空比自区域1801至区域1806逐渐减小。放大部分1808和1810示出了具有相同周期p的区域1801和1804的子区域，以及区域1801的占空比相对大于区域1804的占空比。区域1801-1806的占空比选择为使得所得到的反射光的相变对于区域1801为最大，而自区域1801至区域1806线性降低。图18B示出了根据本发明实施例操作的沿图18A中所示的线18B-18B截取的SWG 1800的截面图。相变使得沿x方向偏振并垂直射向第一表面的入射光以偏离表面法线1812的角θ反射。

在其它的实施例中，通过在光栅层中压印具有从SWG中心向外逐渐增大的占空比的光栅图案，可将SWG配置为作为发散镜工作。例如，图19A示出了根据本发明实施例的被配置为作为关于沿x方向偏振的入射光的发散柱面镜工作的一维SWG 1900的俯视图。图19B示出了根据本发明实施例的沿图19A所示的线19B-19B截取的SWG 1900的截面图。如图19B所示，SWG 1900包括布置在基板1903的表面上的光栅层1902。光栅层1902限定沿y方向延伸SWG 1900的长度且在x方向具有长度2A的镜孔径。图19A-19B包括与图9中所示的阴影区域904-908的顺序相反的光栅层1902的阴影区域1904-1908。例如，放大部分1910-1913示出了占空比η从中心x＝0向外逐渐增大。光栅层1902被配置为使得沿x方向偏振的反射光发散，如上参照图6B所述的。除了上面参照图11所述的目标相位等于-φ(x)之外，可以以与聚焦SWG柱面镜900相同的方式制作发散SWG柱面镜1900。

在其它的实施例中，通过如上参照图9、图13以及图16所述的沿x和y方向图案化，可将SWG配置为具有二维光栅图案。

VI结果

图20示出了根据本发明实施例所配置的平面SWG镜2001、柱面SWG镜2002以及球面SWG镜2003的线条分布的示意图。平面SWG镜、柱面SWG镜以及球面SWG镜被制作为在布置于石英基板上的厚度为450nm的非结晶硅中具有670nm的周期且具有98％的最小反射率。对于平面SWG镜2001和柱面SWG镜2002，线条为矩形。对于球面SWG镜，如上参照图13所述的，每个线条的宽度为锥形。图20包括对于垂直于线条偏振的入射光分别对应于SWG镜2001-2003的测量的反射光束分布2004-2006的等值线图。对于相同的入射高斯形光束产生了光束分布2004-2006。平面SWG镜2001产生了与入射高斯形光束的光束分布基本相同的高斯形光束分布2004。反射光束分布相对比光束分布2005和2006宽。光束分布2005表示柱面SWG 2002反射沿垂直于线条的方向(“H”方向)变窄而沿平行于线条的方向(“V”方向)不变的高斯形光束。光束分布2006显示出球面SWG 2003产生沿所有方向比水平SWG镜2001窄的高斯形反射光束和沿V方向比柱面镜2002窄的反射光束。总之，平面SWG2001不聚焦而仅仅反射入射光。柱面SWG 2002聚焦垂直于线条的反射光。并且球面SWG 2003的锥形线条使得球面SWG2003可不依赖于线条方向聚焦。

图20还包括反射光束半径与相距三种类型的镜的距离的关系的图2008-2010。在距离坐标轴中零对应于反射光束的束腰位置。在图例2011中表示的水平和垂直方向方块分别对应于反射光束沿H方向和V方向的测量光束半径，且在每个图中穿过方块的连续线条是最佳拟合。线条2012表示从平面镜(plane mirror)反射的光束的半径，包含于此用于比较。图2008和2010示出了沿平面和球面SWG的H和V方向的反射光束半径几乎难以区分，而球面SWG对于相同入射光表示出较小的光束斑，表示了根据配置的沿H和V方向的聚焦能力。另一方面，对于柱面SWG，与沿V方向相比，沿H方向的反射光束半径对于相对较短的距离是较窄的，而对于较长的距离是较宽的。这表明镜仅沿H方向具有聚焦能力，这也是设计时能预期到的。

根据在各个位置测量的光束半径重新构建光束参数。利用这些光束参数，确定柱面镜和球面镜的镜焦距为20±3mm，其接近17.2mm的设计值。镜的反射率处于80-90％范围内，低于期望的98％。这种偏差很可能是由于在电子束光刻步骤中的近似效应以及硅线条的表面粗糙程度而导致的部件大小与设计的偏离。

出于解释的目的，前面的描述使用了特定的术语，以提供对本发明的透彻理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，为了实践本发明并不需要具体的细节。本发明的具体实施例的前述描述是为了图示和说明的目的而呈现。它们并不意在详尽的或将本发明限于所公开的准确形式。明显的是，鉴于上面的教义，许多修改和变化是可能的。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用而示出并描述了这些实施例，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明和具有适于预期的特定使用的各种修改的各种实施例。本发明的范围意在由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims

1.一种亚波长光栅(100、200)，包括：

光栅层(102)，所述光栅层具有平面几何形状且被配置有线条(206、207)，线条宽度、线条厚度以及线条周期间隔(208)被选择以控制从所述光栅反射的光束的不同部分的相变，使得所述相变共同产生从所述光栅反射的光束的期望波前形状，所述期望波前形状与入射到所述光栅上的光束的波前形状不同，

其中所述线条的线条宽度、线条厚度以及线条周期间隔中至少之一在所述光栅层上是不均匀的，以产生所述期望波前形状。

2.根据权利要求1所述的亚波长光栅，进一步包括基板(104)，其中所述光栅层被布置在所述基板上，并且所述光栅层由折射率相对高于所述基板的折射率的材料形成。

3.根据权利要求1所述的亚波长光栅，其中所述光栅层(102)进一步被配置有一维线条图案。

4.根据权利要求3所述的亚波长光栅，其中所述一维线条图案进一步包括一个以上的线条子区域(201-203)，在每个子区域内的线条都具有选定的周期和线条宽度。

5.根据权利要求1所述的亚波长光栅，其中所述光栅进一步包括膜。

6.根据权利要求1所述的亚波长光栅，其中所述线条宽度、线条厚度以及线条周期间隔进一步包括基本恒定的线条周期间隔和基本恒定的线条厚度且线条宽度被改变以形成会聚镜。

7.根据权利要求1所述的亚波长光栅，其中所述线条宽度、线条厚度以及线条周期间隔进一步包括基本恒定的线条周期间隔和基本恒定的线条厚度且线条宽度被改变以形成发散镜。

8.根据权利要求1所述的亚波长光栅，其中所述线条宽度、线条厚度以及线条周期间隔被选择以形成会聚镜。

9.根据权利要求1所述的亚波长光栅，其中所述线条宽度、线条厚度以及线条周期间隔被选择以形成发散镜。

10.一种利用计算装置制作亚波长光栅镜的方法，该方法包括：

利用所述计算装置计算所述光栅镜上的期望目标相变(904、1304、1604)，所述目标相变对应于从亚波长光栅图案反射的光束的期望波前形状；

利用所述计算装置产生与所述光栅镜上的所述目标相变对应的线条宽度、线条周期间隔以及线条厚度(907、1306、1607)；以及

利用所述计算装置产生坐标集合(908-915、1307-1313、1607-1618)，每个坐标标识具有一线条宽度、线条周期间隔以及线条厚度的线条的位置。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

将所述坐标集合和相关的线条宽度、线条周期间隔以及线条厚度输入到微芯片处理工具(914、1313、1612)；

利用化学气相沉积在基板的表面上沉积第一材料层，所述第一材料层的折射率相对高于所述基板的折射率；以及

利用光刻法基于所述坐标集合在所述第一材料层中限定光栅线条图案。

12.根据权利要求10所述的方法，其中基于所述目标相变与相位等值面相匹配来利用所述计算装置确定光栅图案间隔周期，进一步包括标识与为所述光栅镜所选的最小反射率相关的相位等值面的部分。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述光栅图案进一步包括布置在所述基板的所述表面上的锥形线条图案(1414、1416)，使得所述线条周期间隔和线条宽度使从所述光栅反射的光束会聚，其中所述光束垂直于所述线条偏振。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述光栅图案进一步包括布置在所述基板的所述表面上的矩形形状的线条图案(206、207)，使得所述线条周期间隔和线条宽度使从所述光栅反射的光束会聚，其中所述光束垂直于所述线条偏振。

15.根据权利要求10所述的方法，其中所述线条宽度、线条厚度以及线条周期间隔进一步包括基本恒定的线条周期间隔和基本恒定的线条厚度且线条宽度被改变以形成会聚镜。