CN2639909Y - 圆环形达曼光栅 - Google Patents

Abstract

一种圆环形达曼光栅，其特点是一种在透明介质上形成有多个同心环带位相分布的位相板，该位相板的大小与衍射极限透镜的孔径相当，所述环带的位相分布为同一圆环内的位相值是相同的，所述相邻环带的位相值是0和φ相间的。本实用新型可对激光束远场衍射光斑各级谱光强度进行修正，实现特定各级谱的等强度圆环形光强分布。本实用新型给出了优化后能满足激光远场衍射各级谱在峰值强度差在10％以内要求下的位相板制造参数，可用于光束整形、激光显示、激光光束耦合、强激光能量集中和波前平顶化和其它需要多级圆环形远场衍射光斑的各种仪器中。

Description

圆环形达曼光栅

技术领域

本发明属于激光光束波面整形，特别是一种圆环形达曼光栅，实现激光束在远场衍射光斑各级谱的等强度圆环形光强分布。该种光栅可用于光束整形、激光显示、激光光束耦合、强激光能量集中和波前平顶化和其它改变远场衍射光斑各级谱的各种仪器中。

背景技术

通过各种途径对于激光衍射斑各级光谱的几何尺寸和能量修正是实用的课题。在光束耦合和激光波前平顶化等许多应用场合均需要圆形或圆环形的衍射光强分布。

位相调制技术是通过改变衍射光线传播截面的位相分布从而实现预期衍射光强分布的技术。用于进行调制的方法有多种，有固定位相分布的位相板，也有用光电晶体制成的可由电压控制位相分布的调制片。因为衍射位相板光能的利用效率最高，所以最常用。

所谓达曼光栅，是空间位置坐标调制型二值位相光栅，利用特殊孔径函数的衍射光栅产生一维或二维的矩形等光强阵列光束。达曼光栅可应用于高效率的光束分束器或阵列照明器[Changhe Zhou(周常河)et al，Numerical study of Dammann arrayilluminators，Applied Optics 34，1995，p.p.5961-5969]。但达曼光栅只能实现一维点阵或二维矩形点阵的光强分布。采用达曼光栅并不能适合于这类需要圆形光强分部的应用场合。

超分辨技术是一项被深入研究过的技术。超分辨技术的核心是通过改变入射光瞳的孔径透过率函数(振幅或位相调制)以实现小于爱里斑的中央衍射光斑。[参见Opt.Lett，T.R.M.Sales and G.M.Morris，22，pp.582-584，1997]。超分辨技术关心的是中心零级谱点的尺寸大小，而对非零谱点间能量的分布比例情况并不考虑。因此，以往的超分辨技术并不能提供多级谱等强度的圆环形强度分布。但超分辨处理的往往是圆形孔径，因此，超分辨技术提供了有关孔径和圆环孔径光衍射的数学处理工具。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种圆环形达曼光栅，以实现激光束远场衍射斑的各级谱的等强度圆环形光强分布。

本发明技术解决方案如下：

一种圆环形达曼光栅，它是一种在透明介质上形成有多个同心环带位相分布的位相板，该位相板的大小与衍射极限透镜的孔径相当，所述环带的位相分布为同一圆环内的位相值是相同的；

所说相邻环带的位相值是0和φ相间的；

各环带位相板的归一化半径值需要优化算出；

本发明圆环形达曼光栅的制造方法包括下列步骤：

①根据工作需要选定需要制作的圆环形达曼光栅的阶，环数；

②根据衍射透镜的孔径和相应的归一化半径计算出各环的半径；

③利用电子束直写法制作母版；

④通过接触式光刻法，将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；

⑤利用感应耦合等离子刻蚀技术，将图案刻蚀到光学玻璃上。

本发明的技术效果：

本发明就是将超分辨技术的圆孔衍射数学处理工具和传统的达曼光栅结合起来，实现了多级圆环谱的等强度光强分布，这是传统的达曼光栅所无法实现的。这也是传统的超分辨技术所不研究的内容。本发明圆环型达曼光栅就是通过控制各个圆环的内外半径值和位相值，可以使通过其的准直平行激光在远场形成中心对称的等强度多级圆环谱的光场分布。

附图说明

图1是本发明圆环型达曼光栅一个具体实例的结构示意图。

图2是圆环型达曼光栅的实验测量装置。

图3是两环零阶圆环型达曼光栅光场强度分布图。

图4是两环一阶圆环型达曼光栅光场强度分布图。

图5是三环二阶圆环型达曼光栅光场强度分布图。

图6是四环三阶圆环型达曼光栅光场强度分布图。

图7是五环四阶圆环型达曼光栅光场强度分布图。

图8是六环五阶圆环型达曼光栅光场强度分布图。

图9是九环八阶圆环型达曼光栅光场强度分布图。

具体实施方式

图1是本发明圆环型达曼光栅实施例之一的具有三环的达曼光栅结构的示意图，各内环带半径用a，b表示，各环位相用φ1，φ2，φ3表示，外环半径归一化为1。由图可见，本发明圆环型达曼光栅是一种在透明介质上形成的多个同心圆环位相分布的位相板，同一环带内的位相值相同。如果所有相邻圆环之间的位相只有两个值，就叫做二值位相圆环型达曼光栅。如果各个圆环之间位相是多值的，就叫做多值位相圆环型达曼光栅。

在圆环型达曼光栅中，最常用和易于加工的是环带型的二值位相板(binaryphase-only mask)。所谓环带是指位相板的位相分布是同心圆环，二值是指任意点位相值是0或Φ，即相位沿径向分布周期为(0，Φ)类型。

圆环型达曼光栅描述参数有：

1)圆环型达曼光栅的阶(M)：准直的相干光通过圆环型达曼光栅所产生的衍射光环的环数称为达曼光栅的阶。具体来说，零阶环形即均匀圆饼光强分布的衍射场，可实现波前平顶化，多阶环形达曼光栅是在中心零级谱点外实现了多个等强度衍射环。

2)圆环型达曼光栅的环(N)：即从中心到最外圈的位相或振幅变化的次数。

3)衍射效率定义为：

$E=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i/I_{\mathrm{total}}----\left(1\right)$

其中I_i是均匀环形衍射场第i环的光强峰值，I_total为所有衍射光能量的总和。

所以上式为衍射到均匀各级衍射环内的光能占所有衍射光能的比值。

4)均匀度 $u=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(I_i-I_{\mathrm{av}})}^2/\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i-----\left(2\right)$

在公式中，I_av为平均光强，定义为：

$I_{\mathrm{av}}=\frac{1}{M+1}\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i---\left(3\right)$

由衍射光学的结论可知，给定环形位相板，其远场衍射场光场振幅分布为：

$\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ξ}\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left(\mathrm{i\φj}\right)\[{\mathrm{\α}}_j^2{2J}_1\left({\mathrm{\α}}_j\mathrm{\ξ}\right)/{\mathrm{\α}}_j\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\α}}_{j-1}^2{2J}_1\left({\mathrm{\α}}_{j-1}\mathrm{\ξ}\right)/{\mathrm{\α}}_{j-1}\mathrm{\ξ}\]----\left(4\right)$

式中α_j为第j环带半径，取环带位相为二值0、φ₀，则远场衍射场场振幅可改写为：

$\mathrm{\&psi;}\left(\mathrm{\&xi;}\right)={2J}_1\left(\mathrm{\&xi;}\right)/\mathrm{\&xi;}-\&lsqb;1-\exp \left(i{\mathrm{\&phi;}}_0\right)\&rsqb;<mrow>\; </mrow>{(-1)}^{N+1}\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(-1)}^j\&times;{\mathrm{\&alpha;}}_j^2{2J}_1\left({\mathrm{\&alpha;}}_j\mathrm{\&xi;}\right)/{\mathrm{\&alpha;}}_j\mathrm{\&xi;}----\left(5\right)$

I＝ψ²(ξ)                                                (6)

本发明给出了不同阶衍射环的各个圆环型达曼光栅的优化参数。计算中采用的优化指标为：u≤0.1，表示衍射各级谱在峰值光强相差为10％以内，优化位相环的各个半径值。利用公式(5)搜索出了二环、三环、四环、五环一直到九环的位相版符合条件的最佳各环半径值，其优化数值结果如表1所示。

                               表1

阶数	环数	归一化半径值	衍射效率	均匀度
					0	2	0.8400	0.7252
1	0.5700	0.8575
				2	3		0.2400，0.6400	0.8253	6.9203e-5
3	4	0.2178，0.3922，0.7194	0.8082			1.8520e-5
				4	5		0.1546，0.3394，0.4880，0.7594	0.8114	2.4899e-4
5	6	0.1410，0.2670，0.4250，0.5530，0.7870	0.8037			0.0028
				8	9		0.0962，0.1936，0.2894，0.3904，0.4854，0.5966，0.6844，0.8856	0.8478	0.0283

本发明的圆环型达曼光栅在实际的应用如图2所示。1是准直激光器，2是聚焦透镜，3是本发明的圆环型达曼光栅，4是CCD光电探测器。从准直激光1发出的光经过聚焦透镜2和圆环型达曼光栅3，在聚焦透镜2的焦平面上产生多级谱点光强度相等的圆环分布。这样的圆环形光强度分布可以由放在聚焦透镜2的焦面上的CCD探测器4探测到并证实之。

实验证明加入所设计的圆环型达曼光栅位相板后，确实实现了远场衍射光斑各瓣的等峰值光强分布的环形衍射场。这说明本发明可用于光束整形、激光显示、激光光束耦合、强激光能量集中和波前平顶化和其它改变远场衍射光斑主瓣的各种仪器中。

图3是两环零阶圆环型达曼光栅光场强度分布图。图中细实线为传统意义的爱里斑光强分布，粗实线为零阶圆环型达曼光栅产生的远场光强分布，它实现了中心平顶化的激光光强分布。其中E为衍射效率。

图4是两环一阶圆环型达曼光栅光场强度分布图，细实线为传统意义的爱里斑光强分布，粗实线为一阶达曼光栅产生的远场光强分布。其结果为一个中心圆斑和一个同心圆环的等强度光场分布。其中E为衍射效率。

图5是三环二阶圆环型达曼光栅光场强度分布图，细实线为传统意义的爱里斑光强分布，粗实线为一阶达曼光栅产生的远场光强分布。其结果为一个中心圆斑和两个同心圆环的等强度光场分布。其中E为衍射效率。

图6是四环三阶圆环型达曼光栅光场强度分布图，细实线为传统意义的爱里斑光强分布，粗实线为一阶达曼光栅产生的远场光强分布。其结果为一个中心圆斑和三个同心圆环的等强度光场分布。其中E为衍射效率。

图7是五环四阶圆环型达曼光栅光场强度分布图，细实线为传统意义的爱里斑光强分布，粗实线为一阶达曼光栅产生的远场光强分布。其结果为一个中心圆斑和四个同心圆环的等强度光场分布。其中E为衍射效率。

图8是六环五阶圆环型达曼光栅光场强度分布图，细实线为传统意义的爱里斑光强分布，粗实线为一阶达曼光栅产生的远场光强分布。其结果为一个中心圆斑和五个同心圆环的等强度光场分布。其中E为衍射效率。

图9是九环八阶圆环型达曼光栅光场强度分布图，细实线为传统意义的爱里斑光强分布，粗实线为一阶达曼光栅产生的远场光强分布。其结果为一个中心圆斑和八个同心圆环的等强度光场分布。其中E为衍射效率。

下面以一个五环四阶的圆环型达曼光栅为例，描述其制作方法。

1、根据工作需要确定要制作五环四阶的圆环型达曼光栅；

2、射极限透镜的孔径为10毫米，计算出各环的半径；

表1中为归一化数据，实际中应根据需要换算出具体数据。假设透镜的孔径为1毫米，则各环半径为1.546，3，394，4.880，7.870毫米。

3、圆环型位相光栅，是利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术来实现的，首先，利用电子束直写法制作出母版；

4、通过接触式光刻法，母版图案转移到了涂有光刻胶的光学玻璃上。所采用的光刻胶为Shipley s1818，厚度为1.8μm。接触曝光的复制误差小于0.5μm。圆环形位相光栅各参数在前文中已给出。最后，

5、利用感应耦合等离子刻蚀技术，将图案刻蚀到光学玻璃中。所采用的刻蚀气体为三氟甲烷(CHF3)，流量为30SCCM，RF功率500W，偏置功率200W，对石英基底的刻蚀速率为0.077μm/min。对应于0.650μm波长，光学玻璃的折射率为1.521，因而π位相对应深度为0.608μm。利用泰勒轮廓仪来测量环形位相光栅的深度为0.610μm。按照图2的光路示意图，布置好测量光路。光源采用半导体激光器，其工作波长是650nm。然后扩束、准直。在实验中所用的透镜直径为10mm，后放置位相版，然后在聚焦光斑处放置CCD探测器，由此可观测出各级光斑的大小。实测数据证明了理论计算的正确性。

Claims (3)

1、种圆环形达曼光栅，其特征在于它是一种在透明介质上形成有多个同心环带位相分布的位相板，该位相板的大小与衍射极限透镜的孔径相当，所述环带的位相分布为同一圆环内的位相值是相同的。

2、据权利要求1所述的圆环形的达曼光栅，其特征在于所述相邻环带的位相值是0和φ相间的。

3、根据权利要求2所述的圆环形达曼光栅，其特征在于各环带位相板的归一化半径值分别为： 阶数 环数 归一化半径值  0  2  0.8400，1  1  0.5700，1  2  3  0.2400，0.6400，1  3  4  0.2178，0.3922，0.7194，1  4  5  0.1546，0.3394，0.4880，0.7594，1  5  6  0.1410，0.2670，0.4250，0.5530，0.7870，1  8  9  0.0962，0.1936，0.2894，0.3904，0.4854，0.5966，0.6844，0.8856，1

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