CN115185028A - 零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，根据最小化后的代价函数优化二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标；根据所述优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，获得衍射光栅结构参数和刻蚀深度，并且生成光刻掩模版；根据所述光刻掩模版对衬底进行微纳加工，获得二维分束衍射光栅元件。本发明通过优化二元相位差值以及相位变化点的空间调制坐标，实现对特定衍射级光强的控制，并通过加工刻蚀深度的变化实现了对零级衍射级强度的控制，进而实现衍射点阵图案的变化，从而克服了达曼光栅在实际应用中0级衍射级光强过大的问题，并可根据实际需要构造所需等强度均匀点阵的分布，进一步拓展了其在多领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于二维分束衍射光栅制备技术领域，具体涉及一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法。
背景技术
光学阵列发生器是一种可以将入射激光束分成具有特定功率分布的出射光束阵列的装置。在各种各样的光学阵列发生器中，达曼光栅通过二元光学相位变化点的空间坐标位置的调制来实现激光远场多级谱点等强度的光斑阵列。
最早在20世纪70年代，Dammann等人在研究多个像复制的过程中，提出了达曼光栅的概念，并首次将大规模集成电路工艺引入光学领域，这为微纳光学的发展奠定了基础。
达曼光栅可以使入射的单色光在远场处高效率地转换成等光强分布的点阵，展现出设计简单、制作工艺成熟、无需精确套准等优点。近年来，由于其在人脸识别、三维成像、结构光投影、光通信与光计算和VR(虚拟现实)/AR(增强现实)等领域方面的巨大潜力，引起了广泛关注。
传统的达曼光栅是一种二元相位(0，π)衍射光栅，在实际加工过程中，由于刻蚀、显影等微纳加工环节引入的无法避免的工艺误差，会导致点阵中心0级衍射级光强过大，衍射光斑均匀性急剧下降，很大程度限制了达曼光栅在结构光、三维成像、微纳光学等领域的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，该方法包括：
根据最小化后的代价函数优化二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标；
根据所述优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，获得衍射光栅结构参数和刻蚀深度，并且生成光刻掩模版；
根据所述光刻掩模版对衬底进行微纳加工，获得二维分束衍射光栅元件。
上述方案中，所述代价函数根据实际所需光斑阵列衍射级次，结合衍射效率和衍射级均匀性误差构建。
上述方案中，所述根据实际所需光斑阵列衍射级次，结合衍射效率和衍射级均匀性误差构建，具体为：以目标最小化衍射级为±p和±q级为例，代价函数表述为：
其中Ik′为目标最小化衍射级远场光强分布±p和±q级，Ik为不包括目标最小化衍射级在内的第k衍射级远场光强分布，范围为-n到n，不包含±p和±q，N不包括目标最小化衍射级在内的衍射级数之和，η为目标总衍射效率。
上述方案中，所述根据最小化后的代价函数优化二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，具体为：设定初始温度T＝TO，随机生成归一化相位变化点空间调制坐标初始解x、O＜x＜1以及二元相位差值初始解
计算代价函数
设置每个T值的迭代次数L，令T＝kT，O＜k＜1，k表示温度下降速率；对当前解x和
施加随机扰动，在其邻域产生新解：x_new＝x+Δx，
计算新解代价函数值
计算目标函数值增量
若Δcost＜0则接受x_new和
作为新的当前解，否则以概率exp(-Δcost/kT)判断是否接受x_new和
作为新的当前解；在温度T下，重复L次扰动和接受过程；如果温度T达到终止温度水平，则终止算法，获得优化后的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标。
上述方案中，所述根据所述优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，获得衍射光栅结构参数，具体为：通过优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标确定一维光栅结构，之后，在所述一维光栅正交方向展开，获得二维光栅结构。
上述方案中，所述根据所述优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，获得刻蚀深度，具体为：所述刻蚀深度s表述为：
其中λ为入射光波长，n1为衬底材料折射率。
上述方案中，所述获得衍射光栅结构参数和刻蚀深度之后，还包括通过调节刻蚀深度s改变零级衍射级强度，根据所述零级衍射级强确定远场光斑点阵图像。
与现有技术相比，本发明通过优化二元相位差值以及相位变化点的空间调制坐标，实现对特定衍射级光强的控制，并通过加工刻蚀深度的变化实现了对零级衍射级强度的控制，进而实现衍射点阵图案的变化，从而克服了达曼光栅在实际应用中0级衍射级光强过大的问题，并可根据实际需要构造所需等强度均匀点阵的分布，进一步拓展了其在多领域的应用。
附图说明
此处所说明的附图用来公开对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法的流程图；
图2为本发明实施例1提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法的流程图；
图3为本发明实施例1提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法中光栅的结构示意图；
图4为本发明实施例1提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法中光刻掩模版图样的结构示意图；
图5为本发明实施例1提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法中远场光斑点阵成像示意图；
图6为本发明实施例1提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法中衍射光栅0级衍射级衍射效率随刻蚀深度的变化关系曲线图；
图7为本发明实施例1提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法中衍射光栅0级衍射级衍射效率最小化远场光斑点阵成像示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，如图1所示，该方法包括：
S11：根据最小化后的代价函数优化二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标；
具体地，可以采用计算机迭代优化算法(包括但不限于模拟退火、梯度下降等迭代优化算法)最小化代价函数。
所述代价函数根据实际所需光斑阵列衍射级次，结合衍射效率和衍射级均匀性误差构建。
以目标最小化衍射级为±p和±q级为例，代价函数表述为：
其中Ik′为目标最小化衍射级远场光强分布±p和±q级，Ik为不包括目标最小化衍射级在内的第k衍射级远场光强分布，范围为-n到n，不包含±p和±q，N不包括目标最小化衍射级在内的衍射级数之和，η为目标总衍射效率。
所述根据最小化后的代价函数优化二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，具体为：设定初始温度T＝TO，随机生成归一化相位变化点空间调制坐标初始解x、0＜x＜1以及二元相位差值初始解
计算代价函数
设置每个T值的迭代次数L，令T＝kT，0＜k＜1，k表示温度下降速率；对当前解x和
施加随机扰动，在其邻域产生新解：x_new＝x+Δx，
计算新解代价函数值
计算目标函数值增量
若Δcost＜O则接受x_new和
作为新的当前解，否则以概率exp(-Δcost/kT)判断是否接受x_new和
作为新的当前解；在温度T下，重复L次扰动和接受过程；如果温度T达到终止温度水平，则终止算法，获得优化后的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标。
S12：根据所述优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，获得衍射光栅结构参数和刻蚀深度，并且生成光刻掩模版；
具体地，通过优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标确定一维光栅结构，之后，在所述一维光栅正交方向展开，获得二维光栅结构。
所述刻蚀深度s表述为：
其中λ为入射光波长，n1为衬底材料折射率。
S13：根据所述光刻掩模版对衬底进行微纳加工，获得二维分束衍射光栅元件。
所述获得衍射光栅结构参数和刻蚀深度之后，还包括通过调节刻蚀深度s改变零级衍射级强度，根据所述零级衍射级强确定远场光斑点阵图像。
通过调节刻蚀深度s，实现了对零级衍射级强度的控制，进而可以在无需重新制作并更换掩模版的情况下实现远场衍射点阵图案的变化。
根据傅里叶光学基本理论，通过对周期性二元相位光栅的透射函数进行傅里叶变换运算，可以得到二元相位光栅各衍射阶的光强分布，其表达式为：
其中，I0为零阶衍射级强度，Ik为第k阶衍射级强度，{xi}为归一化相位变化点空间调制坐标，p为xi的总个数；
实施例1
本发明实施例1提供一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，如图2所示，该方法包括：
S21：根据实际所需光斑阵列衍射级次，结合衍射效率和衍射级均匀性误差，构建代价函数。
S22：最小化所述代价函数，同时优化二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标；
具体地，可以采用计算机迭代优化算法(包括但不限于模拟退火、梯度下降等迭代优化算法)最小化代价函数。
以目标最小化衍射级为±p和±q级为例，代价函数表述为：
其中Ik′为目标最小化衍射级远场光强分布±p和±q级，Ik为不包括目标最小化衍射级在内的第k衍射级远场光强分布，范围为-n到n，不包含±p和±q，N不包括目标最小化衍射级在内的衍射级数之和，η为目标总衍射效率。
以模拟退火算法为例，具体说明二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标的优化过程，其他迭代优化算法优化过程与此类似；
步骤(2201)设定初始温度T＝TO，随机生成归一化相位变化点空间调制坐标初始解x(0＜x＜1)以及二元相位差值初始解
计算代价函数
步骤(2202)设置每个T值的迭代次数L，令T＝kT(0＜k＜1，表示温度下降速率)；
步骤(2203)对当前解x和
施加随机扰动，在其邻域产生新解：x_new＝x+Δx，
步骤(2204)计算新解代价函数值
计算目标函数值增量
步骤(2205)若Δcost＜0则接受x_new和
作为新的当前解，否则以概率exp(-Δcost/kT)判断是否接受x_new和
作为新的当前解；
步骤(2206)在温度T下，重复L次扰动和接受过程，即执行步骤(2203)-(2205)；
步骤(2207)判断温度T是否达到终止温度水平，若是则终止算法，得到优化后的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，否则返回步骤(2202)，重复迭代过程。
以目标最小化±3衍射级远场光强为例，给出了一种零级光强可调的二维分束衍射光栅归一化相位变化点空间调制坐标及二元相位差值。
表1为本发明实施例提供的一种衍射光栅归一化相位变化点的空间调制坐标及二元相位差值
| 归一化相位变化点的空间调制坐标 | 0，0.3387，0.5837，0.6719，0.7884，0.8930 |
| 二元相位差值 | 0.80π |
S23：根据所述优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，获得衍射光栅结构参数和刻蚀深度，并且生成光刻掩模版；
具体地，如图3所示，通过优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标确定一维光栅结构，之后，在所述一维光栅正交方向展开，获得二维光栅结构。
所述刻蚀深度s表述为：
其中λ为入射光波长，n1为衬底材料折射率。
S24：根据所述光刻掩模版对衬底进行微纳加工，获得二维分束衍射光栅元件。
如图4所示，为本发明实施例提供的一种零级光强可调的二维分束衍射光栅单周期光刻掩模版的图样，其中黑色代表刻蚀区域，白色代表非刻蚀区域，二维光栅周期数可根据实际光刻加工最小线宽及所需远场视场角等进行确定。
所述获得衍射光栅结构参数和刻蚀深度之后，还包括通过调节刻蚀深度s改变零级衍射级强度，根据所述零级衍射级强确定远场光斑点阵图像。
如图5所示，为本发明实施例提供的一种衍射光栅远场光斑点阵成像示意图，此例中±3衍射级远场光强实现了最小化，在其他实施例中还可以通过最小化其他一个或多个衍射级远场光强实现同样效果。
如图6所示，为本发明实施例提供的一种衍射光栅0级衍射级衍射效率随刻蚀深度的变化关系曲线，对于传统(0，π)二元相位差值达曼光栅，刻蚀深度误差无论正负均会导致0级衍射级衍射效率提升，进而导致点阵中心0级衍射级光强过大，衍射光斑均匀性急剧下降；而采用本实施例优化得到的(0，0.80π)二元相位差值达曼光栅，刻蚀深度误差会使0级衍射级衍射效率呈现提升和下降两种变化趋势，进而可以根据实际需要改善达曼光栅在实际应用中0级衍射级光强过大的问题。
在此实施例中，当刻蚀深度误差达到+40nm时，可以实现0级衍射级衍射效率最小化，其远场光斑点阵成像示意图如图7所示，本实施例可通过调整刻蚀深度，实现对0级衍射强度的控制，进而可以在无需重新制作并更换掩模版的情况下实现远场衍射点阵图案的变化。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，其特征在于，该方法包括：
根据最小化后的代价函数优化二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标；
根据所述优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，获得衍射光栅结构参数和刻蚀深度，并且生成光刻掩模版；
根据所述光刻掩模版对衬底进行微纳加工，获得二维分束衍射光栅元件。
2.根据权利要求1所述的零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，其特征在于，所述代价函数根据实际所需光斑阵列衍射级次，结合衍射效率和衍射级均匀性误差构建。
3.根据权利要求2所述的零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，其特征在于，所述根据实际所需光斑阵列衍射级次，结合衍射效率和衍射级均匀性误差构建，具体为：以目标最小化衍射级为±p和±q级为例，代价函数表述为：
其中Ik′为目标最小化衍射级远场光强分布±p和±q级，Ik为不包括目标最小化衍射级在内的第k衍射级远场光强分布，范围为-n到n，不包含±p和±q，N不包括目标最小化衍射级在内的衍射级数之和，η为目标总衍射效率。
4.根据权利要求1-3任一项所述的零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，其特征在于，所述根据最小化后的代价函数优化二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，具体为：设定初始温度T＝T0，随机生成归一化相位变化点空间调制坐标初始解x、0＜x＜1以及二元相位差值初始解
计算代价函数
设置每个T值的迭代次数L，令T＝kT，0＜k＜1，k表示温度下降速率；对当前解x和
施加随机扰动，在其邻域产生新解：x_new＝x+Δx，
计算新解代价函数值
计算目标函数值增量
若Δcost<0则接受x_new和
作为新的当前解，否则以概率exp(-Δcost/kT)判断是否接受x_new和
作为新的当前解；在温度T下，重复L次扰动和接受过程；如果温度T达到终止温度水平，则终止算法，获得优化后的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标。
5.根据权利要求4所述的零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，其特征在于，所述根据所述优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，获得衍射光栅结构参数，具体为：通过优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标确定一维光栅结构，之后，在所述一维光栅正交方向展开，获得二维光栅结构。
6.根据权利要求5所述的零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，其特征在于，所述根据所述优化得到的二元相位差值
以及相位变化点的空间调制坐标，获得刻蚀深度，具体为：所述刻蚀深度s表述为：
其中λ为入射光波长，n1为衬底材料折射率。
7.根据权利要求6所述的零级光强可调的二维分束衍射光栅制备方法，其特征在于，所述获得衍射光栅结构参数和刻蚀深度之后，还包括通过调节刻蚀深度s改变零级衍射级强度，根据所述零级衍射级强确定远场光斑点阵图像。
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| Title |
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| 周光亚, 赵小林, 张彤, 王宗光, 陈益新: "连续面型高效率光栅分束器件的设计", 光学学报, no. 06, 5 June 2000 (2000-06-05), pages 831 - 837 * |
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