CN104280880A - 基于干涉法的衍射光学元件设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于干涉法的衍射光学元件设计方法，包括两输入面、一输出面和一分束镜，入射光经过分束镜，输出衍射，得到相位分布，根据衍射、相位和光强制作衍射光学元件。本发明提供的基于干涉法的衍射光学元件设计方法，当平行光入射时，通过位相板的调制，可以实现艾里光束的再现，并且可以实现同时调制波前位相和振幅。

Description

基于干涉法的衍射光学元件设计方法

技术领域

本发明涉及一种任意结构的衍射光学元件设计方法，尤其涉及一种基于干涉法的衍射光学元件设计方法，属于光学元件领域。

背景技术

衍射光学元件被广泛应用到许多光学领域，例如波前整形，全息投影，光学加密等。设计光学元件其实是振幅和位相的复原。传统的光学元件设计是基于优化的迭代算法，例如R.W.Gerchberg and W.O.Saxton，“Apractical algorithm for the determination of phase from image and diffractionplane pictures，”J.R.Fienup，“Reconstructionof an object from the modulus ofits Fourier transform，”中提到的GS算法，G.Yang，B.Dong，B.Gu，J Zhuang，and O.K.Ersoy，“Gerchberg-Saton and Yang-Gu algorithm for phase retrieval ina nonunitary transform system：a comparison”，中提到的杨-顾算法和S.Kirkpatrick，C.D.Gelatt，and M.P.Vecchi，“Optimization by simulatedannealing，”中的模拟退火算法等。这些算法在输出平面上只是近似的得到了振幅而忽略了相位。然而，在许多的光学系统中，能够精确的同时调制振幅和相位的衍射光学元件是非常必要的。任意结构衍射光学元件通常是通过多层掩模板，灰阶掩模板，电子束刻蚀等方法实现的，比如Z.Cui.“Micro-Nanofabrication technologies and applications”。这些技术非常的耗时而且昂贵。利用全息干涉的方法制作衍射光学元件是非常有效且成本低廉的方法，尤其是在制造大面积衍射光学元件时。然而，传统的全息干涉方法只能制作简单的光栅结构或者简单的平面镜，比如M.Farhoud，J.Ferrera，A.J.Lochtefeld，et.al.“Fabrication of 200nm period nanomagnet arraysusing interference lithography and a negative resist”，T.A.Savas，Satyen N.Shah，M.L.Schattenburg，et.al″Achromatic interferometric lithography for 100-nm--period gratings and grids”，H.H.Solak，Y.Ekinci，and P.″Photon-beamlithography reaches 12.5 nm half-pitch resolution″，A.Fernandez，H.T.Nguyen，J.A.Britten，et.al.“Use of interference lithography to pattern arrays of submicronresist structures for field emission flat panel displays，”和M.Campbell，D.N.Sharp，M.T.Harrison，et.al.″Fabrication of photonic crystals for the visiblespectrum by holographic lithography″等等。

但是上述这些方法都存在一定的缺陷，上述方法一般都不能同时调制波前位相和振幅的方法，在进行实验时往往不能同时完成两项任务。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

相较于现有技术，本发明提供的基于干涉法的衍射光学元件设计方法，包括两输入面、一输出面和一分束镜，入射光经过分束镜，输出衍射，得到相位分布，根据衍射、相位和光强制作衍射光学元件。

本发明提供的另一种基于干涉法的衍射光学元件设计方法，包括两位相板、一分束镜和一平面镜，两位相板分别作为输入面P1和输入面P2，通过解析分别得到输入面P1和输入面P2的相位分别为和平面镜作为输出面P3，所述输入面P1和输入面P2垂直设置，在输入面P1和输入面P2的法线交汇处设置分束镜，平面波照射输入面P1和P2，调制成波前为和的光波，设A₀₁＝A₀₂＝1，通过分束镜，两束光在平面输出面P3处可表示为Ae^ia＝U₁+U₂，

其中FrT{...}指平行近似下的菲涅尔衍射或者夫琅禾费衍射，得到相位分布为

其中，ζ＝FrT^-1{Ae^ia}，ang(...)是指求幅角，根据解析得到的和得到Ae^ia，

假设需要制造的衍射光学元件的结构为P(x，y)，设P(x，y)＝cI′(x，y)，其中c为常数，

令从而制作该结构的衍射光学元件。

本发明提供的基于干涉法的衍射光学元件设计方法，当平行光入射时，通过位相板的调制，可以实现艾里光束的再现，并且可以实现同时调制波前位相和振幅。

附图说明

图1为本实施例干涉示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于干涉法的衍射光学元件设计方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例公开的基于干涉法的衍射光学元件设计方法，如图1所示，设置有两个位相板，位相板相互垂直放置，在两个位相板垂线相交处设置有分束器(BS)，两个位相板分别作为输入面P1和P2，如图1所示，往分束器照射有平面波，经过分束镜，平面波照射两块位相板或者输入面，两个位相板分别具有相位和平面波照射两块加有相位的位相板，然后就被调制成波前为和的光波，为了简便A₀₁＝A₀₂＝1，通过分束镜，两束光在平面输出面P3处可表示为Ae^ia＝U₁+U₂，其中FrT{...}指平行近似下的菲涅尔衍射或者

夫琅禾费衍射。可以得到相位分布为

其中，ζ＝FrT^-1{Ae^ia}，ang(…)是指求幅角，因为相位和是解析得到的，所以当两束光干涉时，我们可以非常精确的得到Ae^ia。

当具有任意结构P(x，y)的衍射光学元件需要被制造时，因为对于光刻材料或者银盐乳胶来说，显影是正比如光强的，我们可以将此结构P(x，y)看做光强I′(x，y)，即P(x，y)＝cI′(x，y)，c为常数。然后令即可根据图1开始制作任意结构的衍射光学元件。

本发明提供的基于干涉法的衍射光学元件设计方法，当平行光入射时，通过位相板的调制，可以实现艾里光束的再现，并且可以实现同时调制波前位相和振幅。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于干涉法的衍射光学元件设计方法，其特征在于：包括两输入面、一输出面和一分束镜，入射光经过分束镜，输出衍射，得到相位分布，根据衍射、相位和光强制作衍射光学元件。

2.一种基于干涉法的衍射光学元件设计方法，其特征在于：包括两位相板、一分束镜和一平面镜，两位相板分别作为输入面P1和输入面P2，通过解析分别得到输入面P1和输入面P2的相位分别为和平面镜作为输出面P3，所述输入面P1和输入面P2垂直设置，在输入面P1和输入面P2的法线交汇处设置分束镜，平面波照射输入面P1和P2，调制成波前为和的光波，设A₀₁＝A₀₂＝1，通过分束镜，两束光在平面输出面P3处可表示为Ae^ia＝U₁+U₂，

其中 FrT{...}指平行近似下的菲涅尔衍射或者夫琅禾费衍射，得到相位分布为

其中，ξ＝FrT^-1{Ae^ia}，ang(...)是指求幅角，根据解析得到的和得到Ae^ia，

假设需要制造的衍射光学元件的结构为P(x，y)，设P(x，y)＝cI′(x，y)，其中c为常数，

令从而制作该结构的衍射光学元件。