CN113946008A - 一种相位和振幅联合调制的复合波带片 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种相位和振幅联合调制的复合波带片，由相位型波带片1和振幅型波带片2构成，利用微细加工光学技术，将两种波带片制作在同一衬底上，对入射光波进行联合调制，在光路中无分束的情况下，实现波带片不同衍射级次的同轴微分干涉。本发明根据光学传递函数的解析式，拆分成相位波带片函数和振幅波带片函数，并根据光学系统需求设计焦距，可抑制波带片的高阶级次，产生±1级衍射光波的同轴微分干涉，从而减少光学系统中光学元件数量，减小光束的传播路径和光束能量损失，可用于替换微分干涉系统中相关的分束光学元件。
Description
技术领域
本发明属于光学干涉测量技术领域，涉及一种相位和振幅联合调制的单衍射光学元件。
背景技术
Fresnel波带片在实现X射线成像、光通信等方面应用较为广泛，但因其存在多级次的高阶衍射，导致在光谱分析、成像处理等方面应用产生较大影响；相位波带片和振幅波带片是光学系统中常用的衍射元件，然而作为对称光学元件，对准问题会严重影响衍射光波的调制过程；Gabor波带片作为更理想的光学聚焦元件，能够抑制所有高阶焦点并仅保留一对共轭焦点，但Gabor波带片存在三个衍射级次，仍然产生三光束干涉而非双光束干涉。
双光束干涉是两束相干光在空间相遇，在重叠区形成稳定的强弱强度分布现象。获得相干光的方法一般有分波面法和分振幅法。分波面法是将一个波列的波面分成两个或多个部分，每一部分发出的波再相遇必然相干，例如杨氏双缝干涉；分振幅法是利用透明薄板的第一、第二表面对入射光的一次反射或透射，将入射光的振幅分解为若干个部分，不同的光波再次相遇也相干，如迈克尔逊干涉。
上述产生相干光和干涉现象的方法能在很大程度上达到科学研究和理论应用的条件，但是仍然存在诸多不足：首先，光的反射和透射过程中，光束能量会被削弱，导致最终产生相干的两束光的能量也会减弱；其次，光束传播过程中，外界环境光的参杂会对干涉产生影响；最后，获得干涉相干光的辅助光学元件过多，光路复杂。由此，迫切需要一种单衍射光学元件，能直接实现双光束差分干涉，在减小辅助光学元件数量的基础上，光束传播路径减小，光束能量减少越少，环境光对干涉结果的影响也越小。
发明内容
本发明提出的复合波带片利用微细加工光学技术，将相位型波带片和振幅型波带片制作在同一衬底之上，解决两种类型波带片的中心对准问题。经过对光学传递函数的解析，改写成一个相位波带片和振幅波带片相乘的函数形式，能够抑制高阶衍射级次，将一束入射光波分解成为两束相干光并在交叠区域发生干涉，得到高对比度的干涉图样。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
复合波带片采用相位波带片和振幅波带片联合调制，制作在同一衬底之上形成结构单一的衍射光学元件。其中：
波带片的外环半径、环带数、焦距根据光学系统对光波的调制需求进行设计，相位波带片用于表示透射率函数的符号±1，振幅型波带片表示透射率函数的幅值0-1。
更进一步的，相位波带片透射率为-1时，通过相位型波带片的π相位实现，元件的透射率为+1时，通过相位型波带片的0相位实现。
更进一步的，透射率函数的振幅部分的调制使用一个振幅连续变化的波带片实现。
更进一步的，采用微细加工光学技术制作掩膜版，精度为亚微米量级时使用光刻技术，纳米量级时使用激光直写技术。
更进一步的，振幅波带片未按照余弦变化时，使用二值化面积编码法，对振幅分布图像进行网格划分，近似处理制作掩膜版。
更进一步的，相位型波带片不需要近似处理，直接用刻蚀法加工。
更进一步的，在制作完成的相位型波带片的基底镀铬，用光刻曝光的方法，将振幅型掩膜版的图形转移到基底之上。
本发明与现有技术相比的优点在于：既可以实现常规衍射光学元件的多级衍射特征，又可以对传递函数改写，生成Gabor波带片的±1级衍射光和0级透射光的三波径向干涉，进一步的简化函数，抑制0级光波，生成有且仅有±1级衍射光的双波径向干涉。
通过对波带片参数的控制，扩大衍射角度，1级衍射光波会聚后发散，与-1级发散光波在干涉平面构成双波微分干涉，产生高对比度的干涉结果，所使用的辅助光学元件数量少，光束传播路径小，光束能量损失少，环境光对干涉结果的影响小，在进行波前重构时，计算研究等方面能够减小计算量，提高效率。
附图说明
图1为本发明的结构图图。
图2为本发明的振幅型波带片。
图3为本发明的相位型波带片。
图4为本发明用于产生双光束干涉示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加明确，下面结合附图对本发明的设计原理、结构及具体实施方式进一步介绍。
如图1所示出本发明的结构图，由相位型波带片1和振幅型波带片2构成。
如图2所示出本发明的相位型波带片，利用相位型波带片中实现相位调制0的部分来实现元件透射率为+1时的调制，利用相位波带片中的实现相位调制π的部分来实现元件透射率为-1时的调制。
如图3所示出本发明的振幅型波带片，不是常规波带片的余弦分布，采用二值化面积编码方式来近似处理。
如图4所示出本发明用于产生双光束微分干涉的示意图，入射光波经过单衍射元件之后，得到的光束只有+1级和-1级，没有其他级次的衍射光束，得到的两束衍射光束分别为会聚光束和发散光束，二者在交叠区域发生干涉，在成像平面得到对比度强烈的干涉图。
本发明的主要制作步骤主要有以下几步：
一是掩膜版的制作，根据透射率函数设计相位型和振幅型波带片，考虑不同的加工方式，亚微米精度采用光刻技术，纳米精度采用激光直写技术。基本操作有基底的选择、清洗、涂胶、烘培、曝光/激光直写、显影、冲洗、刻蚀等。
二是相位波带片制作，以石英片作为相位波带片的基底，经过曝光/激光直写将掩膜版的图形转移到到光刻胶表面，采用离子刻蚀技术，对光刻胶中的图形进行深度刻蚀获得所需相位波带片。
三是振幅型波带片的制作，在相位波带片基底的另一表面均匀镀一层金属铬，将掩膜版图形通过光学曝光/激光直写的方式转移到铬膜上，完成振幅型波带片的制作。
Claims (10)
1.一种相位和振幅联合调制的复合波带片，其特征在于：利用微细加工光学技术，将两种波带片制作在同一衬底上，对入射光波进行联合调制，在光路中无分束的情况下，实现波带片不同衍射级次的同轴微分干涉。
2.根据光学传递函数的解析式，拆分成振幅波带片函数和相位波带片函数，并根据光学系统需求设计焦距，抑制波带片的高阶级次，可产生±1级衍射光波的同轴微分干涉。
3.复合波带片的几何尺寸，其特征在于：两波带片是中心对称结构，且制作在同一块衬底之上，避免对准误差对衍射特性的影响。
4.复合波带片的设计尺寸，其特征在于：外环半径、环带数、焦距、距离干涉平面的距离根据光学系统参数进行设计，其中加工精度受光学加工技术的限制。
5.复合波带片生成的同轴微分干涉，其特征在于：波带片产生的不同衍射级次中的会聚球面波与发散球面波或者平面波与球面波在成像平面干涉，光束沿光轴方向同轴传播，不同光束存在光程差，从而产生微分干涉效果。
6.复合波带片的光学传递函数解析式，其特征在于：相位型波带片传递函数与振幅型波带片传递函数的乘积。
7.复合波带片的加工制作程序，其特征在于：先用刻蚀技术制作相位波带片，然后在相位波带片衬底上镀隔，采用光刻技术加工制作振幅波带片。
8.相位波带片，其特征在于：环带厚度不等的透明圆环，光程差反应相位变化。
9.振幅波带片，其特征在于：明暗连续变化的圆环，采用二值化面积编码的方式对生成的振幅型波带片编码，进而制作掩膜版。
10.复合波带片的微分干涉效果，其特征在于：受传递函数调控，可产生传统波带片的多级衍射级次，也可以改造成Gabor波带片，保留±1级和0级衍射光的干涉，进一步的可改写传递函数，生成有且仅有±1级衍射光的干涉。
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