DE102009018069B4

DE102009018069B4 - Diffraktives optisches Element

Info

Publication number: DE102009018069B4
Application number: DE102009018069.9A
Authority: DE
Inventors: Joshua Elliott Rothenberg
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: JP6290277B2; JP2012215904A; DE102009061791B3; JP2009276749A; US7821900B2; DE102009018069A1; JP5464882B2; JP5509268B2; JP2014052655A; JP2016118805A; US20090285076A1

Abstract

Reflektierendes diffraktives optisches Element, umfassend: ein lichtreflektierendes Substrat (510) mit einer oberen Oberfläche, wobei die obere Oberfläche in Form eines Musters (520) geätzt ist, wobei das Muster (520) ein periodisches Oberflächenmuster mit Nuten (300) aufweist, die jeweils eine Breite W haben, wobei das Muster (520) ein kontinuierliches Tiefenprofil h(x) (310) aufweist, wobei x eine Koordinate in einer Breitenrichtung ist, die sich mit der Breite W ändert, wobei das Muster (520) so ausgebildet ist, dass, wenn die obere Oberfläche des lichtreflektierenden Substrats (510) mit einem einfallenden Lichtstrahl mit einer Wellenlänge λ beschienen wird, der einfallende Lichtstrahl reflektiert wird und in mehrere gebeugte Lichtstrahlen zerlegt wird, wobei die mehreren gebeugten Lichtstrahlen mehrere Strahlen primärer gebeugter Ordnung und mehrere Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung enthalten, wobei die Strahlen primärer gebeugter Ordnung ein primäres Aggregatleistungsvermögen von über neunzig Prozent aufweisen, wobei das primäre Aggregatleistungsvermögen die Gesamtleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung geteilt durch die Leistung einfallender Strahlen ist, wobei die mehreren Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung ein sekundäres Aggregatleistungsvermögen von weniger als zehn Prozent haben, wobei das sekundäre Aggregatleistungsvermögen die Gesamtleistung der Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung geteilt durch die Leistung einfallender Strahlen ist, und wobei sich eine Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und eine Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um mindestens zehn Prozent einer Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein diffraktive optische Elemente. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein diffraktives optisches Element, das dazu ausgeführt ist, effizient mehrfache Eingangsstrahlen zu einem einzigen Ausgangsstrahl zu kombinieren.
Ein diffraktives optisches Element („DOE”) ist ein physikalisches Element, welches ausgewählte Wellenlängen des Lichts in bestimmte Positionen umlenkt, die durch die physikalischen Eigenschaften des Elements definiert sind. Diese DOEs werden üblicherweise dazu verwendet, einen einzigen Lichtstrahl in mehrfache Lichtstrahlen zu zerlegen. Solche herkömmlichen DOE-Teiler werden oft in Anwendungen wie Barcode-Scannern, Compact-Disks oder verschiedenen Scaneinrichtungen verwendet.
Ein DOE kann reflektierend oder lichtdurchlässig sein. Ein reflektierender DOE-Teiler empfängt einen einfallenden Lichtstrahl und reflektiert ihn auf mehrere Lichtstrahlen. Demgegenüber empfängt ein lichtdurchlässiges DOE einen einfallenden Lichtstrahl und lässt ihn durch das DOE hindurch, um ihn auf mehrfache Lichtstrahlen zu beugen.
In der Tat wird ein DOE-Teiler den einfallenden Strahl in eine große Anzahl gebeugter Ordnungen zerlegen, wobei die höheren reflektierten Ordnungen in der Regel an Leistung verlieren. Jedoch wird eine vorgegebene DOE-Teileranwendung nicht alle dieser reflektierten Ordnungen verwenden. Stattdessen wird ein DOE-Teiler mit einer bestimmten Anzahl primärer Ausgangsstrahlen ausgestaltet. Bei diesen primären Ausgangsstrahlen (d. h. primäre gebeugte Ordnungen) werden die Leistungspegel durch die DOE-Ausgestaltung so gesteuert, dass sie sich sehr ähneln, während bei den übrigen Ausgangsstrahlen (d. h. die sekundären gebeugten Ordnungen) die Leistungspegel möglichst niedrig gehalten werden. Da jedoch nur eine Teilmenge der gesamten gebeugten Ordnungen als Ausgangsstrahlen verwendet werden (d. h. nur die primären Ordnungen), obliegt den DOEs eine natürliche Grenze bezüglich ihres Leistungsvermögens. Jegliche Leistung, die in unbenutzte Strahlen (d. h. die sekundären gebeugten Ordnungen) gebeugt wird, geht verloren, was das Leistungsvermögen des DOEs unter 100% bringt.
DOE-Teileranwendungen haben recht anspruchsvolle Bedingungen bezüglich der Gleichförmigkeit der Leistung für die primären gebeugten Ordnungen (d. h. die maximale zulässige Abweichung der zerlegten Strahlen). Anders gesagt müssen die DOE-Teiler eine Anzahl an Strahlen mit einander sehr ähnlichen Leistungspegeln ausgeben. Diese Anwendungen erlauben im Allgemeinen weniger als ein paar Prozent Spitzezu-Spitze-Variation der Leistung des gebeugten Strahls.
Eine Art eines herkömmlichen DOE-Teilers basiert auf einer einfachen binären Ausgestaltung. Anders gesagt basieren derartige DOE-Teiler auf Mustern steilwandiger Nuten mit einer einzigen Ätztiefe. Diese binären DOE-Teiler haben gewöhnlich ein relativ bescheidenes Leistungsvermögen (z. B. im Bereich von ~80%). Vorgeschlagen wurden alternative DOE-Teiler, die mehrstufige Ätztiefen aufweisen. Diese weisen jedoch ebenso steile Wände für die Ätzmuster auf. Sie können das Leistungsvermögen gewöhnlich außerdem nur bis auf ungefähr 90% steigern.
Ferner sind die bei diesen herkömmlichen DOE-Teilern verwendeten Oberflächenmuster diskontinuierliche Ätzprofile, die das Vermögen begrenzen, nach dem Oberflächenätzen zusätzliche Schichten auf dem DOE abzuscheiden. Werden reflektierende DOEs verwendet, können daraufhin die diskontinuierlich geätzten Formen hinsichtlich des Reflexionsvermögens abnehmen, da die dicke Hochreflexionsbeschichtung (typisch 5 μm oder dicker) in der Nähe von Diskontinuitäten oder Bereichen mit großer Schräge nicht mit der geätzten Oberflächenform übereinstimmen wird. Eine ähnliche Problematik entsteht auch bei lichtdurchlässigen DOEs, auf die nicht-reflektierende Beschichtungen aufgetragen werden können.
Aus der Druckschrift US 6,130,782 A ist beispielsweise ein diffraktives optisches Element bekannt, mit einem Substrat, dessen Oberfläche ein periodisches Oberflächenmuster mit einem kontinuierlichen Tiefenprofil aufweist, wobei das Muster so ausgelegt ist, dass ein einfallender Lichtstrahl in mehrere gebeugte Lichtstrahlen, die jeweils mehrere Strahlen primärer und sekundärer Ordnung enthalten, zerlegt wird, wobei die Strahlen primärer gebeugter Ordnung ein primäres Aggregatleistungsvermögen von über 60% und die Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung ein sekundäres Aggregatleistungsvermögen von weniger als 10% aufweisen.
Ferner ist aus der Druckschrift US 5,537,252 A beispielsweise ein diffraktives optisches Element bekannt, mit einem Substrat, dessen Oberfläche ein periodisches Oberflächenmuster mit einem gestuften Tiefenprofil aufweist, wobei das Muster so ausgelegt ist, dass ein einfallender Lichtstrahl in mehrere gebeugte Lichtstrahlen verschiedener Ordnung zerlegt wird.
Es wäre daher wünschenswert, ein DOE bereitzustellen, das ein höheres Leistungsvermögen erreichen kann und die Abscheidung zusätzlicher Schichten nach dem Ätzen zulässt, ohne das Leistungsvermögen zu beeinträchtigen. Es wäre ferner wünschenswert, ein DOE bereitzustellen, das sich für Kombinieranwendungen eignet.
Vorteile der Erfindung
Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine DOE-Einrichtung bereit, die gegenüber der Gleichförmigkeit ihrer gebeugten Ordnungen unempfindlich sind. Dieses DOE hat eine sehr allmählich geneigte Oberfläche mit einer Maximalschräge von ein paar Grad. Aufgrund der allmählich geneigten Oberfläche kann man das DOE mit einer Niedrigabsorptionsbeschichtung beschichten, die mit der geätzten Form übereinstimmt, demnach ein hohes Leistungsvermögen behält und einen Betrieb bei sehr hoher Leistung zulässt.
Bereitgestellt wird ein reflektierendes diffraktives optisches Element, das Folgendes umfasst: ein lichtreflektierendes Substrat mit einer oberen Oberfläche, wobei die obere Oberfläche in Form eines Musters geätzt ist, wobei das Muster ein periodisches Oberflächenmuster mit Nuten aufweist, die jeweils eine Periode oder Breite W haben, wobei das Muster ein kontinuierliches Tiefenprofil h(x) aufweist, wobei x eine Koordinate in einer Breitenrichtung ist, die sich mit der Breite W ändert, wobei das Muster so ausgebildet ist, dass, wenn die obere Oberfläche des lichtreflektierenden Substrats mit einem einfallenden Lichtstrahl mit einer Wellenlänge λ beschienen wird, der einfallende Lichtstrahl reflektiert wird und in mehrere gebeugte Lichtstrahlen zerlegt wird, wobei die mehreren gebeugten Lichtstrahlen mehrere Strahlen primärer gebeugter Ordnung und mehrere Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung aufweisen, wobei die Strahlen primärer gebeugter Ordnung ein primäres Aggregatleistungsvermögen von über neunzig Prozent aufweisen, wobei das primäre Aggregatleistungsvermögen die Gesamtleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung geteilt durch die Leistung einfallender Strahlen ist, wobei die mehreren Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung ein sekundäres Aggregatleistungsvermögen von weniger als zehn Prozent haben, wobei das sekundäre Aggregatleistungsvermögen die Gesamtleistung der Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung geteilt durch die Leistung einfallender Strahlen ist, und wobei sich eine Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und eine Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um mindestens zehn Prozent einer Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden.
Die Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und die Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung können sich um mindestens vierzig Prozent der Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden.
Beim reflektierenden diffraktiven optischen Element kann ein Kombinierungsleistungsvermögen η für das Kombinieren mehrerer einfallender Lichtstrahlen gleicher Leistungen größer sein als der Wert, den das primäre Aggregatleistungsvermögen annehmen würde, wenn sich die Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und die Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um weniger als zehn Prozent der Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden würden, wobei das Kombinierungsleistungsvermögen η gleich
wobei P_i eine Leistung eines i-ten gebeugten Lichtstrahls ist, wobei i eine ganze Zahl ist, die eine gebeugte Ordnung der gebeugten Lichtstrahlen repräsentiert, und wobei die gebeugten Ordnungen 1, 2, ... N den Strahlen primärer gebeugter Ordnung entsprechen.
Das reflektierende diffraktive optische Element kann ferner Folgendes umfassen: eine oder mehrere reflektierende Beschichtungsschichten, die über der oberen Oberfläche des lichtreflektierenden Substrats ausgeformt sind, wobei die eine oder mehreren reflektierenden Beschichtungen so aufgetragen sind, dass eine freiliegende Oberfläche der einen oder mehreren reflektierenden Beschichtungen das Muster beibehält.
Das Profil kann ein eindimensionales Profil, das sich periodisch in der Tiefe entlang einer Richtung ändert, oder ein zweidimensionales Profil sein, das sich periodisch in der Tiefe entlang zweier Richtungen ändert. Die Nuten in dem Muster können eine Maximalschräge von zehn Grad an einer jeglichen Stelle entlang der oberen Oberfläche des lichtreflektierenden Substrats aufweisen.
Das reflektierende diffraktive optische Element kann ferner ein Kühlelement aufweisen, das an einer Bodenfläche des lichtreflektierenden Substrats angebracht ist, wobei die Bodenfläche der oberen Oberfläche gegenüberliegt.
Ein lichtdurchlässiges diffraktives optisches Element ist ebenso vorgesehen, umfassend: ein lichtdurchlässiges Substrat mit einer oberen Oberfläche, wobei die obere Oberfläche in Form eines Musters geätzt ist, wobei das Muster ein periodisches Oberflächenmuster mit Nuten auweist, die jeweils eine Breite W haben, wobei das Muster ein kontinuierliches Tiefenprofil h(x) aufweist, wobei x eine Koordinate in einer Breitenrichtung ist, die sich von 0 bis W ändert, wobei das Muster so ausgebildet ist, dass, wenn die obere Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats mit einem einfallenden Lichtstrahl mit einer Wellenlänge λ beschienen wird, der einfallende Lichtstrahl durch das lichtdurchlässige Substrat hindurch läuft und in mehrere gebeugte Lichtstrahlen zerlegt wird, wobei die mehreren gebeugten Lichtstrahlen mehrere Strahlen primärer gebeugter Ordnung und mehrere Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung enthalten, wobei die Strahlen primärer gebeugter Ordnung ein primäres Aggregatleistungsvermögen von über neunzig Prozent aufweisen, wobei das primäre Aggregatleistungsvermögen die Gesamtleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung geteilt durch die Leistung einfallender Strahlen ist, wobei die mehreren Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung ein sekundäres Aggregatleistungsvermögen von weniger als zehn Prozent haben, wobei das sekundäre Aggregatleistungsvermögen die Gesamtleistung der Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung geteilt durch die Leistung einfallender Strahlen ist, und wobei sich eine Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und eine Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um mindestens zehn Prozent einer Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden.
Die Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und die Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung können sich um mindestens vierzig Prozent der Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden.
Bei dem lichtdurchlässigen diffraktiven optischen Element kann ein Kombinierungsleistungsvermögen η für das Kombinieren mehrerer einfallender Lichtstrahlen gleicher Leistungen größer sein als der Wert, den das primäre Aggregatleistungsvermögen annehmen würde, wenn sich die Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und die Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um weniger als zehn Prozent der Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden würden, wobei das Kombinierungsleistungsvermögen η gleich
wobei P_i eine Leistung eines i-ten gebeugten Lichtstrahls ist, wobei i eine ganze Zahl ist, die eine gebeugte Ordnung der gebeugten Lichtstrahlen repräsentiert, und wobei die gebeugten Ordnungen 1, 2, ... N den Strahlen primärer gebeugter Ordnung entsprechen.
Das lichtdurchlässige diffraktive optische Element kann ferner Folgendes umfassen: eine oder mehrere nicht-reflektierende Beschichtungsschichten, die über der oberen Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats ausgeformt sind, wobei die eine oder mehreren nicht-reflektierenden Beschichtungen so aufgetragen sind, dass eine freiliegende Oberfläche der einen oder mehreren nicht-reflektierenden Beschichtungen das Muster beibehält.
Das Profil kann ein eindimensionales Profil, das sich in der Tiefe entlang einer Richtung ändert, oder ein zweidimensionales Profil sein, das sich in der Tiefe entlang zweier Richtungen ändert. Die Nuten in dem Muster können eine Maximalschräge von zehn Grad an einer jeglichen Stelle entlang der oberen Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats aufweisen.
Ferner wird ein Verfahren zum Ausbilden eines diffraktiven optischen Elements bei einem Substrat zum Kombinieren mehrerer einfallender Lichtstrahlen zu einem Ausgangsstrahl, das Folgendes umfasst, offenbart: Auswählen einer aktuellen Menge von N Phasen jeweils für die mehreren einfallenden Lichtstrahlen, wobei jeder Strahl durch eine Harmonische einer einzigen komplexen Exponentialfunktion und einer Phase repräsentiert wird; Bestimmen eines resultierenden komplexen Summenfelds für den Ausgangsstrahl aufgrund der aktuellen Menge von N Phasen, wobei der Ausgangsstrahl eine Summe von N harmonischen komplexen Exponentialfunktionen umfasst; Bestimmen einer Durchschnittsamplitude des resultierenden komplexen Summenfelds über eine einzige Periode des resultierenden komplexen Summenfelds; Bestimmen, ob ein Optimierungskriterium für das Maximum der Durchschnittsamplitude erfüllt ist; Bestimmen einer optimierten kontinuierlichen Phasenverzögerung eines diffraktiven optischen Elements, wenn das Maximalkriterium erfüllt ist, wobei die optimierte kontinuierliche Phasenverzögerung eines diffraktiven optischen Elements die Phase in Radiant des resultierenden optimierten komplexen Summenfelds über eine bestimmte Periode ist; Bestimmen eines Ätztiefenprofils über die einzige Periode aufgrund einer Wellenlänge λ der mehreren einfallenden Lichtstrahlen, wobei das Ätztiefenprofil h(x) gleich dem Produkt aus der Phase in Radiant und einer Proportionalitätskonstante ist; Bestimmen einer Proportionalitätskonstante für das diffraktive optische Element als Funktion der Wellenlänge λ; Bestimmen der Breite W des Ätzprofils aufgrund der Wellenlänge λ und eines Winkelabstands θ zwischen den mehreren einfallenden Lichtstrahlen; und Ätzen einer oberen Oberfläche eines Substrats mit einer periodischen Reihe von Nuten zum Ausbilden eines Oberflächenprofils auf dem Substrat, wobei jede Nut durch das Ätztiefenprofil und die Breite W definiert wird, wobei N eine ganze Zahl ist, die einer Anzahl der mehreren einfallenden Lichtstrahlen entspricht, wobei x eine Koordinate in einer Breitenrichtung ist, die sich von 0 zu W ändert, und wobei das Oberflächenprofil kontinuierlich ist.
Das diffraktive optische Element kann ein reflektierendes diffraktives optisches Element sein, wobei die Proportionalitätskonstante λ / 4π ist. Das diffraktive optische Element kann ein lichtdurchlässiges diffraktives optisches Element sein, wobei die Proportionalitätskonstante λ / 2π(n – 1) ist, wobei n der Brechungsindex des Substrats ist. Die Periode kann ungefähr λ / θ sein, wobei θ in Radiant gemessen wird.
Das Verfahren kann ferner Folgendes aufweisen: Auswählen jeweils einer neuen Menge von N Phasen für die mehreren einfallenden Lichtstrahlen, wenn das Maximalkriterium nicht erfüllt ist; und Gleichsetzen der aktuellen Menge von N Phasen mit der neuen Menge von N Phasen.
Das Auswählen der neuen Menge von N Phasen kann unter Verwendung eines Simplexschätzungsarbeitsvorgangs, einer simulierten Thermofixierung oder eines Gerchberg-Saxton-Arbeitsvorgangs durchgeführt werden.
Die Arbeitsvorgänge des Bestimmens eines resultierenden Summenfelds, Bestimmung einer Durchschnittsamplitude und Bestimmung, ob ein Maximalkriterium erfüllt ist, können für mehrfache Mengen von N Phasen wiederholt werden, bis das Maximalkriterium erfüllt ist.
Das Verfahren kann ferner Folgendes umfassen: Abscheiden einer oder mehrerer Beschichtungen über die obere Oberfläche des Substrats nach dem Ätzen der oberen Oberfläche des Substrats, wobei eine freiliegende Oberfläche der einen oder mehreren Beschichtungen das Oberflächenprofil beibehält. Die eine oder mehreren Beschichtungen können reflektierende Beschichtungen oder Antireflexbeschichtungen sein.
Das Oberflächenprofil kann ein eindimensionales Profil, das sich in der Tiefe entlang einer Richtung ändert, oder ein zweidimensionales Profil, das sich in der Tiefe entlang zweier Richtungen ändert, sein. Die Nuten können eine Maximalschräge von zehn Grad an einer jeglichen Stelle entlang der oberen Oberfläche des lichtreflektierenden Substrats aufweisen.
Das Verfahren kann ferner die Anbringung eines Kühlelements an einer Bodenfläche des Substrats umfassen, wobei die Bodenfläche der oberen Oberfläche gegenüberliegt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die beigefügten Figuren, bei denen sich in den einzelnen Ansichten ähnliche Bezugszahlen auf gleiche oder funktionsähnliche Elemente beziehen und die mit der folgenden ausführlichen Beschreibung in die Patentschrift einbezogen und Bestandteil davon sind, dienen zur weiteren Darstellung verschiedener Ausführungsformen und zur Erklärung verschiedener Prinzipien und Vorteile.
1 ist ein Diagramm des Arbeitsvorgangs eines lichtdurchlässigen DOE-Kombinierers gemäß den offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Diagramm des Arbeitsvorgangs eines reflektierenden DOE-Kombinierers gemäß den offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Graph einer periodischen Phasenvariation und Nutenform für einen DOE-Kombinierer mit fünf Eingangsstrahlen gemäß den offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Graph einer Idealleistung gegenüber einer diffraktiven Ordnung für ein 1:5-lichtdurchlässiges DOE, ausgestaltet gemäß den offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Diagramm eines Abschnitts eines DOE-Kombinierers mit fünf Eingangsstrahlen unter Verwendung der Nuten von 3 gemäß den offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Diagramm eines Abschnitts eines DOE-Kombinierers mit fünf Eingangsstrahlen unter Verwendung der Nuten von 3, mit mehreren darauf abgeschiedenen Beschichtungsschichten gemäß den offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Ätzen der Oberfläche eines DOEs.
Die nachfolgende Offenbarung dient dazu, dem Fachmann Hinweise zur Ausführung der Erfindung gemäß einer oder mehrerer Ausgestaltungsformen zu geben. Die Offenbarung wird ferner zum besseren Verständnis und zur besseren Würdigung der erfindungsgemäßen Prinzipien und Vorteile dargelegt, anstatt die Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken. Definiert wird die Erfindung einzig durch die beigefügten Ansprüche einschließlich jeglicher Änderungen, die vorgenommen wurden, während diese Anmeldung anhängig war, und aller Äquivalente dieser Original-Ansprüche.
Es versteht sich ferner, dass die Verwendung von jeglichen Verhältnisausdrücken wie erster und zweiter und dergleichen, sofern sie vorliegen, einzig zur Unterscheidung zwischen zwei Entitäten, Gegenständen oder Arbeitsvorgängen dient, ohne unbedingt ein solches tatsächliches Verhältnis oder einen solchen tatsächlichen Grad zwischen solchen Entitäten, Gegenständen oder Arbeitsvorgängen zu benötigen oder zu implizieren. Es ist zu beachten, dass einige Ausführungsformen mehrere Prozesse oder Schritte enthalten können, die in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden können, sofern dies nicht ausdrücklich und zwingend auf eine bestimmte Reihenfolge beschränkt ist; d. h. Prozesse oder Schritte, die nicht derart eingeschränkt werden, können in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.
Der Anmelder bezieht sich im folgenden Text auf die Zeichnungen, bei denen sich ähnliche Zahlen auf ähnliche Komponenten beziehen und bei denen eine einzige Bezugszahl zur Identifizierung einer Beispielskomponente aus mehreren ähnlichen Komponenten verwendet werden kann.
Diffraktive optische Elemente
Obgleich diffraktive optische Elemente (DOEs) häufig als Strahlenteiler verwendet werden (d. h. zum Zerlegen eines einzigen einfallenden Strahls in mehrere Ausgangsstrahlen), können sie ebenfalls umgekehrt als Kombinierer Verwendung finden (d. h. zum Kombinieren mehrerer Eingangsstrahlen in einen einzigen Ausgangsstrahl). Bei einer Strahlkombinierungsanwendung werden mehrere Lichtstrahlen auf ein DOE projiziert, welches sie entweder in einen einzigen primären ausgehenden Lichtstrahl reflektiert (bei einem reflektierenden DOE) oder durchlässt (bei einem lichtdurchlässigen DOE). Zum effizienten Kombinieren müssen die Strahlen kohärent mit präzise ausgewählten relativen Phasen sein. Da ja der Arbeitsvorgang eines DOEs mathematisch symmetrisch ist, ist es im Stand der Technik wohlbekannt, dass ein DOE-Teiler, der dazu ausgestaltet ist, einen Eingangsstrahl und N Ausgangsstrahlen zu haben, auch umgekehrt zum kohärenten Kombinieren von N Eingangsstrahlen, die präzise phasenbehaftet sind, in einen Ausgangsstrahl (und umgekehrt) verwendet werden kann.
1 ist ein Diagramm des Arbeitsvorgangs eines lichtdurchlässigen DOE-Kombinierers 110 gemäß offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, sind mehrere einfallende Lichtstrahlen 121, 122, 123, 124 und 125 mit einer gegebenen Wellenlänge λ auf einen gemeinsamen Punkt auf dem lichtdurchlässigen DOE-Kombinierer 110 überlappt. Diese Lichtstrahlen 121, 122, 123, 124 und 125 laufen durch den lichtdurchlässigen DOE-Kombinierer 110 hindurch, wo sie derart gebeugt werden, dass sie einen einzigen übertragenen Ausgangslichtstrahl 130 mit einem Großteil der Eingangsleistung erzeugen. Obwohl dies hier nicht gezeigt ist, würde der lichtdurchlässige DOE-Kombinierer 110 eine Anzahl sekundärer Ausgabelichtstrahlen mit sehr geringen Leistungspegeln aufweisen.
2 ist ein Diagramm des Arbeitsvorgangs eines reflektierenden DOE-Kombinierers 210 gemäß offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, sind mehrere einfallende Lichtstrahlen 221, 222, 223, 224 und 225 mit einer gegebenen Wellenlänge λ auf einen gemeinsamen Punkt auf dem reflektierenden DOE-Kombinierer 210 überlappt. Diese Lichtstrahlen 221, 222, 223, 224 und 225 werden von dem reflektierenden DOE-Kombinierer 210 reflektiert und derart gebeugt, dass sie einen einzigen reflektierten Ausgangslichtstrahl 230 mit einem Großteil der Eingangsleistung erzeugen. Obwohl dies hier nicht gezeigt ist, würde der reflektierende DOE-Kombinierer 210 eine Anzahl sekundärer Ausgabelichtstrahlen mit sehr geringen Leistungspegeln aufweisen.
Wie oben erwähnt, funktioniert ein DOE-Kombinierer umgekehrt als ein DOE-Teiler. So wie der einzige Eingangsstrahl eines DOE-Teilers mehrere gebeugte Ordnungen (d. h. die primären und sekundären gebeugten Ordnungen) erzeugt, erzeugen auch die mehreren Eingangsstrahlen bei einem DOE-Kombinierer jeweils mehrere gebeugte Ordnungen. Da jedoch bei allen diesen Eingangsstrahlen zwischen diesen mehreren gebeugten Ordnungen konstruktive und destruktive Interferenz auftritt, wird ein Großteil der Ausgangsleistung bei dem DOE-Kombinierer in einen einzigen Ausgangsstrahl geleitet. Es verbleibt aber noch etwas Leistung, die von dem DOE-Kombinierer in Form von unerwünschten gebeugten Ordnungen ausgegeben wird. Demzufolge wird ein DOE-Kombinierer, ebenso wie ein vergleichbarer DOE-Teiler, ein Leistungsvermögen von weniger als 100% aufweisen. Es ist einem Fachmann verständlich, dass es mathematisch nachweisbar ist, dass das Leistungsvermögen eines gegebenen DOEs das gleiche ist, ob er nun als Teiler oder umgekehrt als Kombinierer mit umgekehrten primären Strahlen, die präzise phasenbehaftet sind, verwendet wird (d. h. wo die relativen Leistungen der kombinierten Strahlen die gleichen Verhältnisse aufweisen wie die vom DOE erzeugten primären Strahlen, wenn er als Teiler verwendet wird).
Leistungsvermögen eines diffraktiven optischen Elements
Ein DOE-Teiler weist ein Zerlegungsleistungsvermögen η_splitting aufgrund des Leistungsverlusts von unverwendeten sekundären diffraktiven Ordnungen auf. Man betrachte zum Beispiel einen 1:N-DOE-Teiler mit einem einzigen Eingangsstrahl und N Ausgangsstrahlen (d. h. entsprechend den N primären gebeugten Ordnungen). Dieser DOE-Teiler wird einen Leistungsvermögensverlust im Hinblick auf den Teilungsvorgang erfahren, der davon abhängig ist, welcher Anteil des Eingangsstrahls in unverwendete sekundäre diffraktive Ordnungen gebeugt wird, und daher für die N erwünschten Ausgangsstrahlen verloren ist.
Es wird angenommen, dass der Eingangsstrahl eine Leistung P_in aufweist und die N Ausgangsstrahlen jeweils Leistungen und Amplituden P_i bzw. E_i aufweisen (wobei P_i = E_i ²). Das Zerlegungsteilungsvermögen η_splitting wird durch die Gesamtleistung der N primären gebeugten Ordnungen (d. h. Σ N / 1P_i) geteilt durch die Gesamtleistung aller primären und sekundären gebeugten Ordnungen (d. h. Σ ∞ / 1P_i) bestimmt. Anders gesagt,
wobei i ein Index aller gebeugten Ordnungen von 1 bis ∞ ist, wobei i = 1 bis i = N die primären Ordnungen darstellen. Bei diesem Beispiel werden die positiven Indexe 1 bis N lediglich aus Einfachheitsgründen verwendet und sollen die herkömmliche Nummerierung positiver und negativer diffraktiver Ordnungen 0, ±1, ±2 usw. einschließen.
Der Einfachheit halber wird diese Analyse und die nachfolgende Analyse alle nicht-diffraktiven Verluste (d. h. Σ ∞ / 1P_i = P_in) ignorieren und wird die Durchschnittsleistung pro primären gebeugten Strahl auf 1 normalisieren (d. h. Σ N / 1P_i = N oder 〈P_i〉 = 〈E_i ²〉 = Σ N / 1P_i/N = 1, wobei 〈...〉 den Mittelwert über die N primären Ordnungen bezeichnet).
Da ein DOE bezüglich Zerlegung und Kombinieren symmetrisch ist, könnte der Arbeitsvorgang des DOE-Teilers, wenn er exakt umgekehrt würde, mit einem Kombinierungsleistungsvermögen η_combining, das mit dem Zerlegungsleistungsvermögen η_splitting identisch ist, ablaufen. Dazu müsste jedoch der DOE-Kombinierer präzise Phasen und Leistungsverhältnisse für seine mehreren Eingangsstrahlen beibehalten, die den Leistungsverhältnissen für die mehreren Ausgangsstrahlen des DOE-Teilers gleich sind.
Sind jedoch die Eingangsleistungsverhältnisse eines DOE-Kombinierers nicht exakt in Anpassung an die entsprechenden Ausgangsleistungsverhältnisse bei dem DOE-Teiler ausgeglichen, dann wird das Kombinierungsleistungsvermögen η_combining aufgrund eines Ausgleichsleistungsvermögens η_balance weiter reduziert werden. Anders gesagt: η_combining = η_splitting·η_balance (2)
Wenn die Eingangsleistungsverhältnisse eines DOE-Kombinierers exakt in Anpassung an die entsprechenden Ausgangsleistungsverhältnisse bei dem DOE-Teiler ausgeglichen sind (d. h. die relative Leistung jedes Eingangsstrahls die gleiche wie die relative Leistung bei einem entsprechenden Ausgangsstrahl des DOE-Teilers ist), dann ist das Ausgleichsleistungsvermögens η_balance gleich eins. Da sich die Eingangsleistungen des DOE-Kombinierers mehr und mehr von den entsprechenden Ausgangsleistungen bei dem DOE-Teiler unterscheiden, wird das Ausgleichsleistungsvermögens η_balance abfallen. Der Abfall der Ausgleichsleistungsvermögens η_balance ist jedoch in Wirklichkeit ziemlich gering, selbst bei großen Leistungsunausgeglichenheiten.
Man betrachte zum Beispiel einen idealen interferometrischen 2:1-Kombinierer (d. h. einen halbversilberten Spiegel, der 50% des einfallenden Lichts reflektiert bzw. durchlässt), der zwei einfallende Strahlen zu einem ausgehenden Strahl kombiniert. Sind diese beiden Eingänge mit einer äußerst präzisen Phase behaftet und haben sie eine gleiche Leistung (50%/50%), so kann man die relativen Phasen derart einstellen, dass 100% der kombinierten Eingangsleistung zu dem erwünschten Ausgangsport gerichtet wird. Sind die Eingangsleistungen aber nicht gleich, verliert man selbst bei perfekter Phasensteuerung einen Teil der Eingangsleistung. Man nehme an, dass die Leistungsunausgeglichenheit bei ±20% des mittleren Eingangs liegt, d. h. die Eingänge sind 0,8x und 1,2x der idealen Leistungsausgleichswerte (und damit 40% bzw. 60% der Gesamtleistung). Bei guter Phasenregelung werden die beiden Eingangsamplituden in dem unerwünschten Port destruktive Interferenz erfahren und der verlorengegangene Leistungsteil wird gleich
der Gesamtleistung sein. Anders gesagt würde dieser 2:1-Kombinierer ein 99%-Leistungsvermögen aufweisen, selbst bei einer Leistungsunausgeglichenheit von ±20%.
Dies kann für einen idealen interferometrischen N:1-Kombinierer verallgemeinert werden. Hat jeder der N Eingangsstrahlen Leistung und Amplitude P_i bzw. E_i, wobei P_i = E_i ², und ist die Durchschnittsleistung pro Strahl auf 1 normalisiert (d. h. Σ N / 1P_i/N = 1), kann man zeigen, dass das Ausgleichsleistungsvermögen η_balance des Interferometers für einen gegebenen Zustand des Leistungsausgleichs von
gegeben ist, wobei 〈...〉 den Mittelwert über die N Eingangsstrahlen bezeichnet.
Dieser Ausdruck kann einfach als die angemessen normalisierte Intensität verstanden werden, die der Summe der von dem Strahlenteiler kombinierten ideal phasengesteuerten und kohärenten Amplituden entsprechen. Das Ausgleichsleistungsvermögen η_balance kann auch direkt mit der Variation im quadratischen Mittelwert (RMS = Root Mean Square) der Eingangsamplituden in Beziehung stehen, d. h.
Es ist dann möglich, den Verlust in dem Kombinierungsleistungsvermögen zu finden, indem 1 – η_balance = E 2 / RMS (5) bestimmt wird.
Da P_i = E_i ², ist bei einer geringen Variation die prozentuale RMS-Variation der Eingangsleistungen demnach ungefähr zweimal die prozentuale RMS-Eingangsamplitudenvariation.
Demzufolge gilt
So wird deutlich, dass eine recht große Streuung von Eingangsleistungen nur zu einer sehr geringen Reduzierung des Leistungsvermögens führt. Ist zum Beispiel P_RMS~ 10% der Durchschnittseingangsleistung, beträgt der Leistungsvermögensverlust nur ~0,25%. Folgt weiterhin die Eingangsleistungsvariation einer Gauß-Verteilung, wird die Spitze-zu-Spitze-Variation bei den Eingangsleistungen einige Mal größer sein als der RMS-Wert (z. B. ungefähr 5x ist üblich). So kann selbst eine 50% Spitze-zu-Spitze-Variation um den Mittelwert bei den Eingangsleistungen eines N-Strahlen-Interferometers zu einem Verlust in dem Ausgleichsleistungsvermögen η_balance von nur einem Bruchteil eines Prozents führen im Vergleich zu einem gleichwertigen System mit perfektem Leistungsausgleich. Diese Toleranz übersetzt sich direkt in eine durchaus entschärfte Gleichförmigkeitsbedingung für gebeugte Ordnungen des 1:N-DOEs, wenn es als Strahlenkombinierer verwendet wird, was wiederum eine DOE-Ausgestaltung mit einem höheren Leistungsvermögen ermöglicht.
Anders gesagt kann, wenn das DOE als Kombinierer verwendet wird und bei allen einfallenden Strahlen angenommen wird, dass sie die gleiche Leistung haben, P_i in den oben genannten Gleichungen (2)–(6) als die Leistungsprozentanteile in der i-ten gebeugten Ordnung des DOEs, wenn es als Strahlenteiler verwendet wird, angesehen werden. Das Kombinierungsleistungsvermögen η_combining eines DOEs mit Zerlegungsleistungsprozentanteilen P_i = E_i ² und N einfallenden Strahlen gleicher Leistung ist gegeben durch
Da eine entschärfte Toleranz bezüglich der Gleichförmigkeit der Zerlegungsleistungsprozentanteile ein DOE mit einem höheren Zerlegungsleistungsvermögen η_splitting zulässt, und das Ausgleichungsleistungsvermögen η_balance in Gleichungen (3)– (7) sehr nahe eins selbst bei recht großer Leistungsprozentanteilsvariation (P_RMS) ist, kann daher ein idealer DOE-Kombinierer mit ungleichen Zerlegungsleistungsprozentanteilen ein höheres Leistungsvermögen als ein Strahlenteiler aufweisen, der dazu ausgestaltet ist, gleiche Leistungen unter den primären Ordnungen zu haben.
Diffraktive optische Elemente mit ungleichen Eingangsleistungen
Wie oben erwähnt, sind bei herkömmlichen DOE-Teiler-Ausgestaltungen die Leistungen der mehreren Ausgangsstrahlen innerhalb ein paar Prozentpunkten (Spitze zu Spitze) voneinander gehalten. Die Einrichtungen, die solche DOE-Teiler verwenden, benötigen nämlich in der Regel Ausgangsstrahlen, die grob den gleichen Leistungspegel aufweisen. Ähnlich verwenden Einrichtungen, die DOE-Kombinierer verwenden, auch mehrere Eingangsstrahlen, die in der Regel grob gleiche Leistungen haben, um einen kombinierten Ausgangsstrahl zu erzeugen.
Würde ein DOE, der als ein herkömmlicher Strahlenteiler ausgestaltet ist (d. h. so ausgestaltet, dass er gleiche Leistungen für die Ausgangsstrahlen hat) als ein DOE-Kombinierer verwendet werden, könnte er mit einem Ausgleichungsleistungsvermögen η_balance von eins (oder fast eins) verwendet werden. Der DOE-Teiler ist nämlich so ausgeglichen, dass alle Ausgangsstrahlen gleicher Leistung sind. Wenn der DOE-Kombinierer also als DOE-Kombinierer mit Eingangsstrahlen gleicher Leistungen verwendet wird, würde er im perfekten umgekehrten Ausgleich verwendet werden.
Man kann jedoch einen DOE-Kombinierer auch so ausgestalten, dass er bei idealen Eingangsstrahlen ungleicher Leistungen maximales Leistungsvermögen aufweist. Würde ein solcher DOE-Kombinierer mit Eingangsstrahlen gleicher Leistungen versorgt werden, dann würde der DOE-Kombinierer ein Ausgleichungsleistungsvermögen η_balance von weniger als eins haben. Das liegt daran, dass die Eingangsstrahlen gleicher Leistung des DOE-Kombinierers nicht mit den benötigten Leistungsverhältnissen im Ausgleich stehen würden, wie es bei dieser idealen DOE-Kombinierer-Ausgestaltung benötigt ist. Wie oben gezeigt, ist der Verlust des Ausgleichungsleistungsvermögens η_balance aufgrund einer Unausgeglichenheit unter den Eingangsstrahlenleistungen jedoch relativ gering. Der Verlust des Ausgleichungsleistungsvermögens η_balance aufgrund unausgeglichener Leistungen unter den primären diffraktiven Ordnungen des DOE-Kombinierers ist mehr als wieder ausgeglichen durch den Anstieg des Zerlegungsleistungsvermögens η_splitting, das dadurch erreicht wird, dass die DOE-Ausgestaltung nicht dahingehend eingeschränkt wird, gleiche Leistungen für primäre gebeugte Ordnungen bereitstellen zu müssen.
Man kann daher direkt eine effiziente Ausgestaltung für einen N:1-Kombinierer bestimmen, indem die Bedingung gleichförmiger Leistung für gebeugte Ordnungen beseitigt wird. Ein solcher Kombinierer kann sogar mit optimalem Leistungsvermögen als ein Kombinierer anstatt als ein Strahlenteiler, der dann als Kombinierer verwendet wird, ausgestaltet werden.
Man betrachte N Strahlen mit ebenen Wellen aus einem linearen Array, die auf ein DOE fallen. Bei einer gegebenen Phasenbeziehung unter den Strahlen kann man die Amplitude und Phase des resultierenden Summenfelds an der Ebene des DOEs berechnen. Das resultierende Feld kann mathematisch als eine endliche 1D-Fourier-Reihe dargestellt werden. E(x)= Σ +M / m=-Mexp[i(mk_Dx + ϕ_m)] (8), wobei die Summe ein symmetrisches lineares Array von N = 2M + 1 Eingangsstrahlen darstellt, ϕ_m die einzelnen Strahlenphasen und zu optimierenden freien Parameter sind, x die Koordinate entlang der periodischen Richtung ist, und der k-Vektor des DOEs k_D = 2π/W ist, wobei W die Nutenbreite oder Periode des DOEs ist. Wird die DOE-Ausgestaltung so gewählt, dass sie ein genaues Konjugat der resultierenden Phase der einfallenden Summe von N Strahlen ist (d. h. die Gesamtphase von E(x) aus Gleichung (8)), dann wird bei dem kombinierten Strahl nach dem Durchgang durch das DOE die Phase aufgehoben und der kombinierte Strahl hat demnach eine Amplitudenmodulation, aber keine Netto-Phasenaberration. Die verbleibende Amplitudenmodulation |E(x)| bestimmt dann das Kombinierungsleistungsvermögen η_combining. Das Kombinierungsleistungsvermögen η_combining ist der Prozentanteil der Gesamtleistung des resultierenden, in die 0-te Ordnung gebeugten Strahls, die durch Anwendung von obenstehenden Gleichungen (3)–(6) gefunden werden kann, wo E_i durch |E(x)| ersetzt wird und die Summen durch Integration über x ersetzt werden. Da also E(x) periodisch über die DOE-Periode W ist, kann das Kombinierungsleistungsvermögen η_combining als
berechnet werden.
Die oben stehende Analyse macht demnach deutlich, dass das maximale Kombinierungsleistungsvermögen η_combining durch Optimierung der Phasen der N einfallenden Strahlen gefunden wird, derart, dass die Intensitätsvariation des resultierenden Summenstrahls aus Gleichung (8) (d. h. |E(x)|_RMS) minimalisiert ist, oder entsprechend durch Maximalisierung von 〈|E(x)|〉. Sind die N einfallenden Phasen erst einmal optimiert, muss man lediglich das Konjugat der periodischen Phase ϕ(x) des resultierenden Felds E(x) berechnen, um die ideale DOE-Ausgestaltung zu finden; d. h. E(x)= |E(x)|exp[iϕ(x)].
Während also herkömmliche DOE-Teiler optimiert werden, um eine gleichförmige Verteilung der primären gebeugten Ordnungen zu erreichen, unterliegt diese DOE-Kombinierer-Ausgestaltung keinem solchen Zwang. Demzufolge kann sie eine große Variation unter den Intensitäten der primären gebeugten Ordnungen aufweisen.
Es kann eine Vielfalt an Optimierungsverfahren verwendet werden, um |E(x)|_RMS zu minimieren und so die besten Strahlenphasen und die beste DOE-Kombinierer-Ausgestaltung zu finden. Bei vielen Anwendungen, wo der Wert von N nicht zu groß ist, genügt ein Simplex-Optimierungsverfahren. Bei diesem Verfahren verwendet man ein N-dimensionales Polygon (das Simplex), das nach den optimalen Phasen sucht und seine Größe je nach Änderungen in den lokalen Ableitungen der zu optimierenden Funktion selbstständig anpasst (d. h. |E(x)|_RMS) (siehe zum Beispiel Numerical Recipes in C, von W. H. Press et al., 2. Ausgabe, Cambridge University Press, 1992, Seiten 408 ff.).
Bei größeren Werten von N, bei denen das Simplex-Verfahren zur Auffindung guter optimierter Lösungen lange Berechnungszeiten benötigt, kann man andere Standardoptimierungsverfahren wie simulierte Thermofixierung (oder Thermal Annealing) verwenden. Bei diesem Verfahren ist eine fiktive Temperatur mit dem Optimierungsablauf verbunden, die aufgrund einer exponentialen Boltzman-Verteilung eine Wahrscheinlichkeit bestimmt, eine mögliche Testlösung als das beste Ergebnis anzunehmen oder abzuweisen. Die Lösungen werden iteriert und die Temperatur wird anschließend langsam gesenkt, um das beste Optimum über einen großen N-dimensionalen Raum zu erreichen (siehe zum Beispiel Numerical Recipes in C, von W. H. Press et al., 2. Ausgabe, Cambridge University Press, 1992, Seiten 444 ff.).
Alternativ dazu kann man Faltungen kleinerer Lösungen (N = M₁ × M₂) als Ausgangspunkt verwenden, die dann weiter optimiert werden können, indem man eins von diesen Verfahren oder das Gerchberg-Saxton-Verfahren verwendet. Das Gerchberg-Saxton-Verfahren ist ein iterativer Algorithmus durch die Verwendung einer Propagierfunktion, wie die Fourier-Transformation.
Das Gerchberg-Saxton-Verfahren beginnt mit einer Ausgangsmenge Strahlenphasen und berechnet die Feldverteilung E(x). Die Amplitude |E(x)| wird dann einer Konstante gleichgesetzt, aber die vorher berechnete Phase wird beibehalten. Die Phasen des gebeugten Fernfeldstrahls werden daraufhin iterativ aus dem nun revidierten Nahfeld durch eine Fourier-Transformation berechnet. Die Amplituden der gebeugten Ordnungen sind alle einer Konstante gleichgesetzt und störende Ordnungen werden ignoriert, aber die neu-berechneten Strahlenphasen behalten, und der Ablauf wird iteriert, um eine optimale Menge Strahlenphasen zu finden und damit die obenstehende DOE-Ausgestaltung.
Wenn N = 2M + 1 ungerade ist (d. h. wenn eine ungerade Anzahl Eingangsstrahlen verwendet wird), sind fernerhin die idealen Lösungen (d. h. die mit maximalem Leistungsvermögen) symmetrisch. Anders gesagt, ϕ_m = ϕ_-m, was bedeutet, dass man nur ϕ_m für positive Werte von m bestimmen muss (da ϕ₀ willkürlich ist). Dies kann die benötigte Berechnungszeit deutlich verkürzen.
Diese Klasse von Lösungen bietet im Allgemeinen Leistungsvermögen von weit über 90%. Wenn eine ungerade Anzahl von Strahlen N verwendet wird, weisen die optimierten Lösungen ferner im Allgemeinen keine Punkte entlang der x-Richtung auf, an denen das Feld E(x) verschwindet. Demzufolge vermeidet diese Lösung Phasensprünge von π, die sonst ein diskontinuierliches Ätzprofil erforderlich machen, und lässt so ein kontinuierliches Ätzprofil zu. Ausgestaltungen mit einer geraden Anzahl von Strahlen können ebenfalls optimiert werden, doch aufgrund der Tendenz zur Aufhebung an Punkten in den Nahfeldpunkten ist der RMS gewöhnlich größer und die resultierenden Leistungsvermögen in der Regel geringer.
Das einfachste Beispiel eines Ungerade-Anzahl-Kombinierers basiert auf drei Strahlen. Bei einem solchen Kombinierer sind die idealen Strahlenphasen zur Minimierung der resultierenden Amplitudenvariation in Gleichung (6) ϕ_±1 = π/2 (wobei ϕ₀ willkürlich auf 0 gesetzt wird). Die für die optimale DOS-Ausgestaltung benötigte Phase ist demnach gleich ϕ(x) = tan^–1(2cos(k_Dx)). Das Kombinierungsleistungsvermögen η_combining bei dieser Ausgestaltung mit drei Strahlen gleicher Leistung beträgt 93,8%.
Das DOE wird durch Ätzen eines periodischen Oberflächenmusters von „Nuten” mit Breite W und mit einem Nutentiefenprofil h(x) hergestellt. W und h(x) werden aus der Phase ϕ(x) und einigen der grundlegenden Eigenschaften des DOEs bestimmt.
Die Nutenbreite W wird durch Teilen der Wellenlänge λ des Ablaufs durch den gewünschten Winkelabstand θ (in Radiant gemessen) zwischen benachbarten Strahlen bestimmt, d. h. W = λ/θ.
Das Nutentiefenprofil h(x) (oder Ätztiefenprofil) wird durch Multiplikation des Phasenprofils ϕ(x) mit einem konstanten Wert, der von der Art des DOEs abhängt, bestimmt. Bei einem reflektierenden DOE wird die Phase durch die mit dem doppelten Durchlaufen der Ätztiefe verbundene Verzögerung eingestellt. Wenn also die Phase ϕ(x) ist, ist die Nutentiefe h(x) = λ / 4π·ϕ(x) (10), wobei λ die Wellenlänge des Ablaufs (d. h. eine Tiefe von λ entspricht 4π rad oder 2 Wellen Phasenverzögerung) ist. Bei einem lichtdurchlässigen DOE hängt die Phasenverzögerung vom differenziellen Brechungsindex n des Substrats ab. Ist also das DOE an der Luft (n_air = 1) und ist die Phase ϕ(x), dann beträgt die Ätztiefe h(x) = λ / 2π(n-1)·ϕ(x) (11).
3 ist der Graph einer periodischen Phasenvariation und Nutenform bei einem DOE-Kombinierer mit fünf Eingangsstrahlen nach offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt, ist die periodische Phase über die Periode W durch die Gleichung ϕ(x) gegeben, bei der x ein Index ist, der sich von 0 zu 1 über die Periode W ändert.
Die optimale periodische Phase wird dann aus der Phase des Felds in Gleichung (8) bestimmt. Bei diesem Beispiel wurde eine schnelle Optimierung (d. h. Minimierung der Amplitudenvariation in Gleichung (8) mit M = 2) unter Verwendung des Simplex-Verfahrens durchgeführt, um zu bestimmen, dass die optimalen Phasenwerte ϕ_±1 = π/2 und ϕ_±2 = π rad sind (wobei ϕ₀ willkürlich auf 0 gesetzt wird). Bei diesem Beispiel wurde die analytische Form für die ideale Phase als ϕ(x) = tan^–1[2cosk_Dx/(1 – 2cos2k_Dx)] bestimmt, wobei k_D = 2π/W und W die Periode des DOE-Kombinierers ist.
Die Herstellung eines solchen DOEs kann dann auf bekannte Art umgesetzt werden, z. B. durch Verwendung einer Ätztechnik mit kontinuierlichen Graustufenwerten. Da die periodische Phase (die zur Definition der Nutenform dient) keine Diskontinuitäten besitzt, wird eine Wiederholung der Nuten zusätzlich ein völlig glattes Oberflächenprofil liefern.
4 ist ein Graph 410 der Idealleistung gegenüber der gebeugten Ordnung für ein 1:5-lichtdurchlässiges DOE, ausgestaltet gemäß offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 gezeigt, hat das DOE –2-te, –1-te, 0-te, 1-te und 2-te primäre Ordnungen 421, 422, 423, 424 und 425. Die gebeugten Prozentanteile der Gesamtleistung bei diesen primären Ordnungen sind 15,7%, 26,1% und 15,1% in jeder der 0-ten, ±1-ten bzw. ±2-ten Ordnung. Das DOE hat so eine prozentuelle Durchschnittsleistung P_AVG bei primären Ordnungen von 19,6%, eine prozentuelle minimale Leistung P_MIN bei primären Ordnungen von 15,1% und eine prozentuelle maximale Leistung P_MAX bei primären Ordnungen von 26,1%. Dieses DOE hat daher einen Unterschied A von 6,5% zwischen P_MAX und P_AVG, einen Unterschied B von 4,5% zwischen P_AVG und P_MIN und einen Spitze-zu-Spitze-Unterschiedsabstand C von 11% zwischen P_MAX und P_MIN. Ausgedrückt als Prozentanteil der Durchschnittsordnungsleistung P_AVG ist die Spitze-zu-Spitze-Leistungsvariation 11/19,6 = 56% der Durchschnittsleistung.
Das ideale Zerlegungsleistungsvermögen η_splitting eines diese Ausgestaltung verwendenden DOE-Teilers beträgt 97,9%. Kombiniert man fünf Strahlen mit dem DOE als Kombinierer und wählt man die relativen Leistungen der Eingangsstrahlen so, dass sie an diese Verhältnisse der gebeugten Ordnungen angepasst sind, dann wäre das Ausgleichungsleistungsvermögen η_balance bei diesem DOE-Kombinierer eins, und durch Gleichung (2) wäre das Kombinierungsleistungsvermögen η_combining bei diesen Eingangsleistungsverhältnissen auch 97,9%.
Würde dieses DOE jedoch als Kombinierer mit fünf Eingangsstrahlen von ungefähr der gleichen Leistung verwendet, dann wäre das Ausgleichungsleistungsvermögen η_balance weniger als eins, wie in den Gleichungen (3)–(6) gezeigt. Insbesondere wäre das Ausgleichungsleistungsvermögen η_balance in dieser Situation ungefähr 98,3% (d. h. 1 - η_balance ~ 1,7%). Trotz des Leistungsvermögensverlusts aufgrund großer unausgeglichener Leistungsprozentanteile, wird das resultierende Kombinierungsleistungsvermögen η_combining somit ungefähr 96,2% betragen, was wesentlich über dem Kombinierungsleistungsvermögen η_combining eines DOE-Teilers, der dazu ausgestaltet ist, gleiche primäre Leistungsprozentanteile zu haben, liegt.
Demgegenüber kann ein DOE, das als 1:5-Strahlenteiler mit gleichen primären Leistungsprozentanteilen ausgestaltet ist, nur ein Zerlegungsleistungsvermögen η_splitting von ungefähr 92% erreichen. Selbst wenn also ein solches DOE als Kombinierer mit perfekt ausgeglichenen Eingangsleistungen verwendet werden würde (d. h. η_balance = 1), könnte das Kombinierungsleistungsvermögen η_combining nicht größer als das Zerlegungsleistungsvermögen von ungefähr 92% sein.
Obwohl der offenbarte DOE-Kombinierer aufgrund der großen Ungleichförmigkeit von Ordnungen einen zusätzlichen Leistungsvermögensverlust η_balance erleidet, ist daher das Nettokombinierungsleistungsvermögen η_combining noch immer höher, als es mit herkömmlich ausgestalteten DOEs mit fast gleichen Leistungen bei gebeugten Ordnungen zu erreichen wäre.

Tabelle 1 stellt Informationen über die Kombinierungsleistungsvermögen η_combining und Spitze-zu-Spitze-Variation von Zerlegungsleistungsprozentanteilen bereit, die für eine Zahl von DOE-Kombinierern mit ungeradem Eingang mit dem offenbarten Verfahren gefunden wurden, unter der Annahme der Kombination von Eingangsstrahlen gleicher Leistungen. Diese Zahlen werden für DOE-Ausgestaltungen unter Verwendung des oben genannten Prozesses erhalten. Beim Erhalten dieser Daten wurde für die Strahlzahlen bis zu 49 Simplex-Optimierung verwendet. In dem Fall von 81 Strahlen wurde eine Ausgangsschätzung für eine Faltung von zwei 9-Strahl-Ausgestaltungen angestellt (d. h. wenn die 9-Strahl-Phase Φ₉(x/P) periodisch über den Bereich 0 ≤ x ≤ P ist, wird Φ₈₁(x/P) = Φ₉(9x/P) + Φ₉(x/P) als Ausgestaltungsausgangspunkt genommen. Ausgehend von dieser Ausgangsschätzung nähert sich das Gerchberg-Saxton-Verfahren schnell einer 99,2% Leistungsvermögenslösung. Tabelle 1 Veröffentlichte DOE-Kombinierereigenschaften

Anzahl Eingangsstrahlen (N)	Kombinierungsleistungsvermögen (η_combining)	Spitze-zu-Spitze-Variation/Durchschnitt von Ordnungsleistungen bei Verwendung als Strahlenteiler (%)
3	93,8	46
5	96,3	56
7	97,5	41
9	99,3	11
11	98,4	44
13	98,6	56
15	98,2	52
17	98,7	26
19	98,3	50
21	99,0	35
25	99,0	44
49	99,2	37
81	99,2	33

Wie in Tabelle 1 gezeigt, sind die Kombinierungsleistungsvermögen η_combining für diese DOE-Kombiniererausgestaltungen relativ hoch im Vergleich mit DOEs, die als Strahlenteiler mit gleichförmigen Leistungen bei primären Ordnungen ausgestaltet sind, und dies obgleich die Spitze-zu-Spitze-Variationen der Leistungen bei gebeugten Ordnungen relativ hoch sind.
Kombinierer aus diffraktiven optischen Elementen
Wie oben gezeigt, ist 3 ein Graph einer periodischen Phasenvariation und Nutenform für einen DOE-Kombinierer mit fünf Eingangsstrahlen gemäß offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wenn man diesen Graph als eine Nutenform betrachtet, hat eine Nute 300 eine festgelegte Breite W und ein Tiefenprofil h(x) 310, das sich von 0 bis D verändert. Die Breite W stellt die Periode der periodischen Reihe Nuten auf dem DOE 110 oder 120 dar.
Um den DOE-Kombinierer herzustellen, wird die durch W und ϕ(x) definierte Nut periodisch auf der oberen Oberfläche des das DOE ausmachenden Substrats wiederholt. Obwohl zudem die offenbarten Ausführungsformen eine Nut zeigen, die periodisch in einer Dimension ist (d. h. die x-Achse entlang), würde der Fachmann verstehen, dass die obige Analyse leicht auf die Anwendung auf ein in zwei Dimensionen (d. h. die x- und orthogonale y-Achse entlang) periodisches Oberflächenmuster erweitert werden kann.
5 ist ein Diagramm eines weggeschnittenen Bereichs eines DOE-Kombinierers mit fünf Eingangsstrahlen unter Verwendung der Nuten von 3 gemäß den offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 gezeigt, ist bei dem DOE 500 die Nute 300 mehrfach auf einer oberen Oberfläche des Substrats 510 wiederholt, so dass ein Muster 520 ausgebildet wird.
Zusätzlich enthalten die offenbarten Ausführungsformen in 5 ein wärmeleitendes Element 530, das auf der Rückseite des Substrats 510 angebracht ist. Das wärmeleitende Element 530 könnte zum Beispiel eine Metallplatte sein, die mit einem wärmeleitfähigen Klebstoff an das DOE-Substrat 510 angebracht ist. Dieses wärmeleitende Element leitet Wärme von dem Substrat weg und reduziert damit deutlich die möglichen Effekte wärmeinduzierter Deformation bei dem DOE. Natürlich kann dies nur geschehen, wenn das DOE ein reflektierendes DOE ist, da bei einem lichtdurchlässigen DOE beide Seiten des Substrats unverdeckt bleiben müssen.
Bei alternativen Ausführungsformen kann auch entweder eine reflektierende Beschichtung oder eine nicht-reflektierende Beschichtung über dem Substrat aufgebracht werden. Bei einem reflektierenden DOE können eine oder mehrere reflektierende Beschichtungen über der oberen Oberfläche des Substrats aufgebracht sein, um das Leistungsvermögen der Reflexion zu verbessern; ähnlich können bei einem lichtdurchlässigen DOE eine oder mehrere nicht-reflektierende Beschichtungen über der oberen Oberfläche des Substrats aufgebracht sein, um Verluste durch Lichtreflexion zu reduzieren. Bei beiden Fällen werden durch Beibehaltung eines Grundmusters auf der oberen Oberfläche des Substrats, das kontinuierlich ist und eine relativ geringe Winkeländerung aufweist (z. B. nicht mehr als ungefähr zehn Grad Schräge an einem beliebigen Punkt auf der Oberfläche), die reflektierende oder nicht-reflektierende Beschichtung übereinstimmen und das gleiche Muster beibehalten, wodurch es dem beschichteten DOE möglich ist, Licht auf die gleiche Art wie das unbeschichtete DOE zu beugen.
6 ist ein Diagramm eines weggeschnittenen Bereichs eines DOE-Kombinierers mit fünf Eingangsstrahlen unter Verwendung der Nuten von 3 mit mehreren darauf abgeschiedenen Beschichtungsschichten gemäß den offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 gezeigt, wird bei dem Substrat 510 ein Muster 520 auf der Oberfläche ausgebildet. Mehrere Beschichtungen 630 werden dann über der oberen Oberfläche des Substrats ausgebildet, mit einer Dicke T, so dass eine obere Oberfläche der obersten Beschichtung 630 das gleiche Muster 520 wie die obere Oberfläche des Substrats beibehält.
Durch Verwendung eines glatt-geätzten Musters 520 auf der oberen Oberfläche des Substrats 510, welches eine maximale Schräge von nur ein paar Grad hat, kann das resultierende DOE nach dem Oberflächenätzen mit einer reflektierenden oder nicht-reflektierenden Beschichtung mit geringem Verlust und Streuung versehen werden. Dies kann eine Anpassung des DOEs an sehr hohe einfallende Leistungen ermöglichen.
Ausgestaltung des diffraktiven optischen Elements
7 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Ätzen der Oberfläche eines DOEs. Wie in 7 gezeigt, beginnt der Prozess mit dem Setzen der Ausgangswerte für die Strahlenzahl N des Kombinierers, die Wellenlänge λ der zu verwendenden Strahlen und den Winkelabstand θ zwischen benachbarten Strahlen (710). Diese Ausgangsparameter definieren effektiv den allgemeinen Betrieb des DOEs, d. h. wie viele Eingangsstrahlen vorliegen werden und wie sie angeordnet sein werden.
Dieser Prozess geht weiter mit dem Auswählen einer willkürlichen Ausgangsmenge von N Testphasen Φ_i, wobei i = 1, 2, ... N (715). Das Verfahren, nach dem diese Phasen gewählt werden können, kann variieren. Sie können zufällig ausgewählt oder aufgrund einer dem Fachmann bekannten prädiktiven Art gewählt werden (z. B. aufgrund von Symmetrie oder anderen Überlegungen, von denen man annimmt, dass sie eine Ausgangstestlösung mit fast optimaler Leistung ergeben, wie in dem oben betrachteten Fall mit 81 Strahlen).
Als nächstes gilt es, ein Testfeld E(x) aufgrund dieser Ausgangstestphasen (720) wie in Gleichung (8) definiert zu bestimmen und dann eine Durchschnittsamplitude 〈|E(x)|〉 über eine einzige Periode von E(x) zu bestimmen (d. h. 0 ≤ x ≤ W) (725).
Ist die Durchschnittsamplitude 〈|E(x)|〉 erst einmal bestimmt, gilt es zu bestimmen, ob das Kriterium zur Maximierung von 〈|E(x)|〉 erfüllt ist (730). Wie oben erwähnt, kann dies dadurch erreicht werden, dass man einen Standardoptimierungsablauf wie einen Simplex-Optimierungsarbeitsvorgang, eine simulierte Thermofixierung oder Gerchberg-Saxton-Verfahren verwendet.
Ist das Maximierungskriterium für 〈|E(x)|〉 nicht erfüllt, dann muss man, gemäß dem ausgewählten Optimierungsarbeitsvorgang eine neue Menge an N Testphasen ϕ_i auswählen, wobei i = 1, 2, ... N (735), und noch einmal das Testfeld E(x) bestimmen (720), die Durchschnittsamplitude 〈|E(x)|〉 (725), und ob das Maximierungskriterium erfüllt ist (730).
Ist das Maximierungskriterium für 〈|E(x)|〉 erfüllt, dann muss man eine optimierte kontinuierliche DOE-Phasenverzögerung aufgrund von E(x) (740) bestimmen. Diese Bestimmung kann zum Beispiel mit der folgenden Gleichung durchgeführt werden: ϕ_opt(x) = tan^–1[ Im(E(x)) / Re(E(x))]mod2π (12).
Wenn das kontinuierliche Phasenverzögerungsprofil ϕ_opt(x) bestimmt wurde, gilt es, die Ätzbreite W der Nuten zu bestimmen (745) und ein Ätztiefenprofil h(x) der Nuten zu bestimmen (750). Die Ätzbreite W wird bestimmt, indem man die Wellenlänge λ durch den Winkelabstand θ gemessen in Radiant teilt (d. h. W = λ/θ); und das Ätztiefenprofil h(x) wird bestimmt, indem man das Phasenverzögerungsprofil ϕ_opt(x) gemessen in Radiant mit einer Konstanten multipliziert, die von der Art des DOEs abhängt (lichtdurchlässig oder reflektierend). Bei einem reflektierenden DOE ist das Ätztiefenprofil h(x) gleich dem Phasenverzögerungsprofil ϕ_opt(x) multipliziert mit λ / 4π; bei einem lichtdurchlässigen DOE ist das Ätztiefenprofil h(x) gleich dem Phasenverzögerungsprofil ϕ_opt(x) multipliziert mit λ / 2π(n-1), wobei n der Brechungsindex des DOE-Substrats ist.
Schließlich kann das DOE-Substrat aufgrund der Ätzbreite W und des Ätztiefenprofils h(x) geätzt werden (755). Dies kann mittels eines dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Ätzverfahrens erfolgen.
Wenn wünschenswert, können danach eine oder mehrere Beschichtungen auf dem DOE über der geätzten Oberfläche abgeschieden werden (760). Diese eine oder mehreren Beschichtungen können reflektierend oder nicht-reflektierend sein.
Ist das DOE ein reflektierendes DOE, kann zusätzlich ein Kühlelement an der Bodenfläche des DOE-Substrats gegenüber der geätzten Oberfläche angebracht werden (765). Diese Handlung sollte bei einem lichtdurchlässigen DOE unterlassen werden.
Bei alternativen Ausführungsformen können jedoch die Abscheidung der Beschichtungen (760) und die Anbringung eines Kühlelements (765) unterlassen werden.
Schlussfolgerung
Die Offenbarung soll erklären, wie verschiedene Ausführungsformen gemäß der Erfindung verwendet werden können und nicht deren wahren, beabsichtigten und angemessenen Umfang und deren Gedanken einschränken. Die obige Beschreibung soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die präzise veröffentlichte Form beschränken. Abänderungen oder Variationen sind angesichts der obigen Lehren möglich. Die Ausführungsform(en) wurde/n gewählt und beschrieben, um die beste Darstellung der Prinzipien der Erfindung und deren praktische Anwendung zu liefern, und um einen Durchschnittsfachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Abänderungen, wie sie sich für die spezielle beabsichtigte Verwendung eignen, zu verwenden.

Claims

Reflektierendes diffraktives optisches Element, umfassend: ein lichtreflektierendes Substrat (510) mit einer oberen Oberfläche, wobei die obere Oberfläche in Form eines Musters (520) geätzt ist, wobei das Muster (520) ein periodisches Oberflächenmuster mit Nuten (300) aufweist, die jeweils eine Breite W haben, wobei das Muster (520) ein kontinuierliches Tiefenprofil h(x) (310) aufweist, wobei x eine Koordinate in einer Breitenrichtung ist, die sich mit der Breite W ändert, wobei das Muster (520) so ausgebildet ist, dass, wenn die obere Oberfläche des lichtreflektierenden Substrats (510) mit einem einfallenden Lichtstrahl mit einer Wellenlänge λ beschienen wird, der einfallende Lichtstrahl reflektiert wird und in mehrere gebeugte Lichtstrahlen zerlegt wird, wobei die mehreren gebeugten Lichtstrahlen mehrere Strahlen primärer gebeugter Ordnung und mehrere Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung enthalten, wobei die Strahlen primärer gebeugter Ordnung ein primäres Aggregatleistungsvermögen von über neunzig Prozent aufweisen, wobei das primäre Aggregatleistungsvermögen die Gesamtleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung geteilt durch die Leistung einfallender Strahlen ist, wobei die mehreren Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung ein sekundäres Aggregatleistungsvermögen von weniger als zehn Prozent haben, wobei das sekundäre Aggregatleistungsvermögen die Gesamtleistung der Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung geteilt durch die Leistung einfallender Strahlen ist, und wobei sich eine Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und eine Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um mindestens zehn Prozent einer Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden.
Reflektierendes diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, wobei sich die Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und die Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um mindestens vierzig Prozent der Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden.
Reflektierendes diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, wobei ein Kombinierungsleistungsvermögen η für das Kombinieren mehrerer einfallender Lichtstrahlen gleicher Leistungen größer ist als der Wert, den das primäre Aggregatleistungsvermögen annehmen würde, wenn sich die Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und die Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um weniger als zehn Prozent der Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden würden, wobei das Kombinierungsleistungsvermögen η gleich
ist, wobei P_i eine Leistung eines i-ten gebeugten Lichtstrahls ist, wobei i eine ganze Zahl ist, die eine gebeugte Ordnung der gebeugten Lichtstrahlen repräsentiert, und wobei die gebeugten Ordnungen 1, 2, ... N den Strahlen primärer gebeugter Ordnung entsprechen.
Reflektierendes diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, ferner Folgendes umfassend: eine oder mehrere reflektierende Beschichtungsschichten (630), die über der oberen Oberfläche des lichtreflektierenden Substrats (510) ausgeformt sind, wobei die eine oder mehreren reflektierenden Beschichtungen (630) so aufgetragen sind, dass eine freiliegende Oberfläche der einen oder mehreren reflektierenden Beschichtungen das Muster (520) beibehält.
Reflektierendes diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, wobei das Profil (310) ein eindimensionales Profil, das sich in der Tiefe entlang einer Richtung ändert, oder ein zweidimensionales Profil, das sich in der Tiefe entlang zweier Richtungen ändert, ist.
Reflektierendes diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, wobei die Nuten (300) in dem Muster (520) eine Maximalschräge von zehn Grad an einer jeglichen Stelle entlang der oberen Oberfläche des lichtreflektierenden Substrats (510) aufweisen.
Reflektierendes diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Kühlelement (530), das an einer Bodenfläche des lichtreflektierenden Substrats (510) angebracht ist, wobei die Bodenfläche der oberen Oberfläche gegenüberliegt.
Lichtdurchlässiges diffraktives optisches Element, umfassend: ein lichtdurchlässiges Substrat mit einer oberen Oberfläche, wobei die obere Oberfläche in Form eines Musters (520) geätzt ist, wobei das Muster (520) ein periodisches Oberflächenmuster mit Nuten (300) aufweist, die jeweils eine Breite W haben, wobei das Muster (520) ein kontinuierliches Tiefenprofil h(x) (310) aufweist, wobei x eine Koordinate in einer Breitenrichtung ist, die sich von 0 bis W ändert, wobei das Muster (520) so ausgebildet ist, dass, wenn die obere Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats mit einem einfallenden Lichtstrahl mit einer Wellenlänge λ beschienen wird, der einfallende Lichtstrahl durch das lichtdurchlässige Substrat hindurchläuft und in mehrere gebeugte Lichtstrahlen zerlegt wird, wobei die mehreren gebeugten Lichtstrahlen mehrere Strahlen primärer gebeugter Ordnung und mehrere Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung enthalten, wobei die Strahlen primärer gebeugter Ordnung ein primäres Aggregatleistungsvermögen von über neunzig Prozent aufweisen, wobei das primäre Aggregatleistungsvermögen die Gesamtleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung geteilt durch die Leistung einfallender Strahlen ist, wobei die mehreren Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung ein sekundäres Aggregatleistungsvermögen von weniger als zehn Prozent haben, wobei das sekundäre Aggregatleistungsvermögen die Gesamtleistung der Strahlen sekundärer gebeugter Ordnung geteilt durch die Leistung einfallender Strahlen ist, und wobei sich eine Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und eine Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um mindestens zehn Prozent einer Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden.
Lichtdurchlässiges diffraktives optisches Element nach Anspruch 8, wobei sich die Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und die Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um mindestens vierzig Prozent der Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden.
Lichtdurchlässiges diffraktives optisches Element nach Anspruch 8, wobei ein Kombinierungsleistungsvermögen η für das Kombinieren mehrerer einfallender Lichtstrahlen gleicher Leistungen größer ist als der Wert, den das primäre Aggregatleistungsvermögen annehmen würde, wenn sich die Maximalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung und die Minimalleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung um weniger als zehn Prozent der Durchschnittsleistung der Strahlen primärer gebeugter Ordnung unterscheiden würden, wobei das Kombinierungsleistungsvermögen η gleich
ist, wobei P_i eine Leistung eines i-ten gebeugten Lichtstrahls ist, wobei i eine ganze Zahl ist, die eine gebeugte Ordnung der gebeugten Lichtstrahlen repräsentiert, und wobei die gebeugten Ordnungen 1, 2, ... N den Strahlen primärer gebeugter Ordnung entsprechen.
Lichtdurchlässiges diffraktives optisches Element nach Anspruch 8, ferner Folgendes umfassend: eine oder mehrere nicht-reflektierende Beschichtungsschichten, die über der oberen Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats ausgeformt sind, wobei die eine oder mehreren nicht-reflektierenden Beschichtungen so aufgetragen sind, dass eine freiliegende Oberfläche der einen oder mehreren nicht-reflektierenden Beschichtungen das Muster (520) beibehält.
Lichtdurchlässiges diffraktives optisches Element nach Anspruch 8, wobei das Profil (310) ein eindimensionales Profil, das sich in der Tiefe entlang einer Richtung ändert, oder ein zweidimensionales Profil, das sich in der Tiefe entlang zweier Richtungen ändert, ist.
Lichtdurchlässiges diffraktives optisches Element nach Anspruch 8, wobei die Nuten (300) in dem Muster (520) eine Maximalschräge von zehn Grad an einer jeglichen Stelle entlang der oberen Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats aufweisen.