NO318360B1 - Konfigurerbart diffraktiv optisk element - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår et konfigurerbart diffraktivt optisk element omfattende en matrise av diffraktive sub-elementer som har reflekterende overflater.

Dekomposisjon av lys i sine komponentrfekvenser (bølgelengder) er fundamental for optisk spektroskopi. Ifølge denne oppfinnelsen er en klasse av optiske innretninger tilveiebrakt som kan tjene som konfigurerbare optiske filter. Innretningene mottar en innfallende stråle bestående av lys med forskjellige frekvenser. De retter en del av lyset i en bestemt retning eller mot et fokalpunkt. Innretningen består av et system av bevegelige diffraktive mikrostrukturer på et substrat. Ved å påtrykke forskjellige spenninger til innretningen kan vi endre posisjonene til mikrostrukturene og dermed endre den spektrale sammensetningen av det diffrakterte lyset.

Spektrale filtre er viktige for alle typer optiske målinger. I det følgende vil vi bruke termen Spektralfilter i en vid forstand for å beskrive alle innretninger som selektivt fjerner lys med spesifikke frekvenser, totalt eller delvis fra lysbanen. Hvis egenskapene til filteret kan endres over tid ved påtrykking av forskjellige spenninger, temperaturer eller andre midler for aktivering kaller vi det et justerbart eller konfigurerbart filter. Det er ingen klare avgrensninger mellom justerbare eller konfigurerbare, unntatt at det sistnevnte impliserer en større rekkevidde av mulige realiserbare filterfunksjoner. Konfigurerbare optiske filtre er særlig viktige for spektroskopi. Et eksempel er det vippbare gitteret i en konvensjonell monokromator. Ifølge våre definisjoner er det et eksempel på et justerbart (eller konfigurerbart) optisk filter.

Diffraktive optiske elementer (DOEs) har eksistert i de siste tre tiårene. Et diffraktivt element er et generalisert 1- eller 2-dimensjonalt optisk gitter eller hologram, laget for å syntetisere et lysfelt ved eksponering av forskjellige deler av en innfallende stråle for faseforskyvninger og/eller amplitudemodulasjoner. Med mikro-elektromekaniske systemer (MEMS) er det mulig å lage konfigurerbare DOEer. Med eksisterende mikromaskineringsteknologi er det ikke vanskelig å lage bevegelige deler med dimensjoner ned til 1 mikrometer. I en konfigurerbar DOE (CDOE) vil toppen av slike bevegelige deler være en optisk overflate: Speil, gittere eller mer kompliserte strukturer for filtrering eller fokusering. I den følgende oppfinnelsen vil vi kalle hver overflate et diffraktivt subelement. Deres relative posisjoner kan justeres med en oppløsning som er mye mindre enn typiske optiske bølgelengder, og interferensen mellom refleksjonene fra de forskjellige delene bestemmer det resulterende lysfeltet.

En CDOE for syntetisering av spektrale filtre ("Polykromatoren") har vært designet og implementert av G.B. Hocker et al. "The polychromator: A programmable mems diffraction grating for synthetic spectra." In Solid- State Sensor and Actuator Workshop, pages 89-91, Hilton Head Island, South Carolina, June 2000. Denne innretningen er et elektrostatisk kontrollert matrise av bjelker. Bjelkene kan beveges vertikalt og toppen av hver bjelke er reflekterende og fungerer som et gitterelement. Den underliggende teorien er gitt i Michael B. Sinclair et al. "Synthetic spectra: a tool for correlation spectroscopy." Applied Optics, 36(15), 1997 og, mer generelt, i J.R. Fienup. "Phase retrieval algorithms: a comparison." Applied Optics, 21(15): 58-69,1982. Ulempen med denne løsningen er at lyset med et større spektralområde blir diffraktert ved en enkelt vinkel, hvilket begrenser den oppnåelige oppløsningen. Høyere oppløsning kan oppnås med et større antall bjelker, men dette øker kompleksiteten til innretningen og gjør den upraktisk å styre. Det er også en ulempe at lyset ikke kan fokuseres mot en detektor. Dette er mulig ved et konkavt opplinjet gitter, eller, som vi vil vise, et fokuserende diffraktivt mønster. Endelig vil de mange gapene mellom de bevegelige gitterelementene redusere diffraksjonseffektiviteten.

US 5,905,571 Optisk apparat for å danne korrelasjonsspektrometere og optiske prosessorer, beskriver et optisk apparat som danner korrelasjons-spektrometere og optiske prosessorer. Det optiske apparatet omfatter et eller flere diffraktive optiske elementer danne på et substrat for mottak av lys fra en kilde og prosessering av det innfallende lyset. Det inkluderer også et adresserende element for alternerende adressering av hvert diffraktive optiske element derav for å danne for én tidsenhet en første korrelasjon med det innfallende lyset, og for å danne for en annen tidsenhet en andre korrelasjon med det innfallende lyset som er forskjellig fra den første korrelasjonen. I foretrukne utførelser av oppfinnelsen er det optiske apparatet i form av et korrelasjons-spektrometer, og i andre utførelser er apparatet i form av en optisk prosessor. I noen utførelser omfatter det optiske apparatet et flertall av diffraktive optiske elementer på et felles substrat for å danne første og andre gittere som alternerende kan fange opp det innfallende lyset ved forskjellige tidsenheter. I andre utførelser inkluderer det optiske apparatet et elektrisk programmerbart diffraksjonsgitter som kan kobles alternerende mellom et flertall av gittertilstander for å prosessere det innfallende lyset. Dette optiske apparatet kan dannes, it det minste delvis, i en mikromaskineringsprosess.

US 5,757,536 beskriver et elektrisk programmerbart diffraksjons-gitter. Det programmerbare gitteret inkluderer et substrat som har et flertall elektroder dannet derpå og et bevegelig gitterelement over hver elektrode. Gitterelementene er elektrostatisk programmerbare for å danne et diffraksjonsgitter for å di ffraktere en innfallende lysstråle ved at den blir reflektert fra de øvre overflatene på gitterelementene. Det programmerbare diffraksjonsgitteret, formet av en mikromaskineringsprosess, har anvendelser innen optisk informasjonsprosessering (for eksempel optiske korrelatorer og datamaskiner) for multipleksing og demultiplexing av et flertall lysstråler med forskjellige bølgelengder (for eksempel for kommunikasjon i optiske fibrer), og for danning av spektrometre (for eksempel korrelasjons- og skannings-spektrometere). En innretning av denne typen har den ulempen at den må kontrollere et stort antall elementer for å oppnå god spektral oppløsning innen et smalt spektralområde.

Det er et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe et konfigurerbart optisk element som gir god oppløsning innen et valgt frekvensområde, for eksempel for spektrale undersøkelser, med et lavt antall elektrisk aktiverte deler. Oppfinnelsen tilveiebringer også fokusering av lysstråle og eliminerer dermed behovet for tilleggskomponenter.

Dette er oppnådd ved bruk av et element som angitt ovenfor og som er kjennetegnet ved de trekk som er angitt i de selvstendige kravene.

Det er flere mulige utvidelser/forbedringer av det elektrisk programmerbare diffraksjonsgitteret ifølge denne oppfinnelsen. De vil bli listet opp under og forklart mer i detalj senere. • En CDOE kan fås til å fokusere lys. Dette reduserer behovet for optiske tilleggskomponenter, som kan være dyre og kreve vanskelig opplinjering. En måte å lage en fokuserende innretning er å lage de diffraktive subelementene som Fresnel-soner eller sektorer av Fresnel-soner. • Et lavt antall brede subelementer med blanke gitteroverflater kan brukes i stedet for et stort antall smale subelementer med plane reflekterende overflater. Se forskjellene på fig. 1 og fig. 2. For en stor gruppe av anvendelser vil dette både redusere den mekaniske kompleksiteten til CDOE og øke

diffraksjonseffektiviteten.

• Fasemodulasjonen kan også oppnås ved å bevege bjelkene sideveis, dvs i en retning parallelt med overflaten. Med silisium på isolator (Silicon on insulator - SOI) teknologi med kam-drivere er det mulig å lage bedre optiske overflater med færre prosesseirngstrinn. • De foregående eksemplene er alle én-dimensjonale matriser. Selv Fresnelsone-strukturen kan regnes som en én-dimensjonalt matrise i polare koordinater. I et mer generelt tilfelle kan planet til CDOE'en deles opp i tilfeldige områder, der hvert område er et diffraktiv sub-element med fasemodulasjon ved vertikal eller horisontal bevegelse.

Denne oppfinnelsen vil bli beskrevet nedenfor med henvising til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler.

Figur 1 illustrerer den kjente teknikk i hvilken gitteret utgjøres av den relative

posisjonen mellom et antall reflektive, plane overflater.

Figur 2 illustrerer prinsippet til den foreliggende oppfinnelsen.

Figur 3 illustrerer en første alternativ utførelsen av oppfinnelsen.

Figur 4 illustrerer en andre alternative utførelse av oppfinnelsen.

Figur 5 illustrerer en tredje utførelse av oppfinnelsen i hvilken subelementene utgjør en todimensjonalt matrise.

Teorien for et gitter som illustrert i figur 1 kan beskrives som følger: Fraunhofer approksimasjonen til fjemfelt-diffraksjonen fra en flat skjerm er ganske enkelt å ta Fouriertransformasjonen av det optiske feltet ved skjermen. For én romlig dimensjon kan dette skrives som:

der k=2n/ X, 6 er diffraksjonsvinkelen og x er skjermens posisjon. Hvis vi skulle konstruere en DOE for kollimert lys med en innfallsvinkel på null ville U være målfunksjonen og u(x) den komplekse transmisjons- eller refleksjonskoeffisienten til DOE aperturen. U er funksjonen av produktet mellom k og sinØ - bølgelengde og vinkler spiller samme rolle. En DOE kan brukes for å syntetisere et romlig (angulært) monster for en fast bølgelengde, eller et spektralt mønster for en fast vinkel, eller en kombinasjon av begge. Hvis ikke noe annet er sagt vil vi nedenfor se på spektrale mønstre ved en fast vinkel og skriver kx=k sin8.

For å bestemme formen på den diffrakterende overflaten som produserer målfunksjonen U i fjemområdet kan vi ta den inverse Fourier-transformen av ligning 1:

Dette resulterer i en kompleks funksjon u(x) der både fasevinkel og amplitude varierer. Imidlertid er det vanlig å ha noen restriksjoner på u(x), for eksempel at |u(x)| = 1. Dette betyr at vi er begrenset til, eller har valgt å, bare kontrollere fasen til u(x). I det tilfellet kan vi bruke en numerisk algoritme for å finne u(x). Et eksempel på en slik algoritme er den iterative Fourier transformasjons-algoritmen som har mange navn og variasjoner. Den opprinnelige er sannsynligvis Gerchberg-Saxton algoritmen. Se artikkelen til J. Fienup som er nevn ovenfor for et overblikk.

Med henvisning til figur 1, som viser den kjente teknikk, bestående av en matrise av bjelker 1 som i "Polykromatoren" beskrevet over, er en egnet innretning for å demonstrere de fundamentale egenskapene til konfigurerbare DOEer og den iterative

Fourier-transformasjonen. Ved å overse rommet mellom elementene kan den komplekse koeffisienten skrives som:

p(x) er faseprofilen til et enkelt gitterelement, d er gitterperioden og un=exp( i^ n). For bjelker med reflekterende overflater, p( x) =rect( x/ d).

Fourier-transformasjonen av ligning 3 er

Summen i kantparantesen er den trunkerte Fourier-serien med koeffisienten u„.

Serien er periodisk i kx med en periode Ak=2iz/ d. Det hele blir multiplisert med den Fourier-transformerte av p(x). I tilfellet der p{ x) =rect( xld), P{ kx) =sinc{ kxd) Gitt en målfunksjon U kan koffisientene u„ bestemmes med en iterativ FFT/IFFT algoritme.

Som for et vanlig gitter er den høyeste optiske frekvensen som kan oppløses gitt av Nd, produktet av antallet gitterelementer og gitterperioden, mens avbruddsfrekvensen eller det frie spektrale området er gitt av det første nullpunktet i sine omslutningsfunksjonen:

Mange anvendelser innen spektroskopi krever relativt høy oppløsning i relativt smale frekvensområder Akx sentrert omkring frekvensen kc.

Fra ligning 5 kan man se at for å sikre at kc er under kxo, må perioden d være tilstrekkelig lav - En lav d behøves for å oppnå et tilstrekkelig bredt spektralt område. Men siden oppløsningen går som Nd, behøves en stor N for å opprettholde oppløsningen. Dette fører til en komplisert innretning der flere hundre bjelker må kontrolleres individuelt. Ifølge M A Butler et al. "A mems-based programmable diffraction grating for optical holography in the spectral domain." in IEDM, 2001, er det funnet en mate å bedre designet på "Polykromatoren" der de bruker et tilleggsgitter i lysbanen. Ifølge oppfinnelsen er det langt mer hensiktsmessig å endre overflaten på selve bjelkene. Denne løsningen, en matrise av gittere, er beskrevet nedenfor.

Figur 2 illustrerer en gitter-matrise ifølge oppfinnelsen der den flate toppen på bjelkene ifølge den kjente teknikk beskrevet ovenfor er byttet ut med et kort gitter 3 med en

gitterperiode ds. <d. For et sinusoidalt gitter har vi p( x) =rect( x/ d) exp( i2nx/ ds). Vi får da PXk^ sincikjt- litdld^. Dette er id et vesentlige et skiftet i sinc-funksjonens omhylning i ligning 5 til en valgt frekvens. Dette frekvensskiftet blir bestemt av forholdet mellom de to gitterperiodene. Dermed kan vi oppnå spektral filtrering med høy oppløsning med et lavt antall bjelker/elementer.

Figur 3 illustrerer en tilsvarende løsning der bjelkene beveges lateralt. For kollimert lys med en innfallsvinkel a og diffraksjonsvinkel p er forholdet mellom DOE-høyden h og faseforsinkelsen <f> lik 4>=/i(cosa+cos|3). Det er også mulig å oppnå en faseforsinkelse ved å bevege en bjelke eller del av en CDOE lateralt. Hvis et element blir beveget sideveis en avstand D, blir forholdet mellom § og D lik <|>=Z)(sina-smP), der vi ser bort fra bidraget fra områdene rundt subelementene.

Mange MEMS-innretninger er basert på SOI-strukturer med laterale bevegelser aktivert av elektrostatiske kamdrivere. Disse strukturene er stivere og lettere å lage enn flerlangs polysilisium-prosesser som ofte brukes for å lage bjelkestrukturer med vertikale bevegelser.

Figur 4 illustrerer en fokuserende innretning ifølge oppfinnelsen. Ved å gå videre til sub-elementer med vilkårlige former er det mulig å lage fokuserende konfigurerbare spektrale filter. Hvis vi former subelementene som Fresnel-soner tilsvarende en gitt fokallengde, kan det vises at intensiteten i focus er den same som for en en-dimensjonalt bjelkematrise eller en matrise av giftere.

Det er også mulig å bruke en matrise av like store rektangulære sub-elementer med fokuserende diffraktive mønstere 3. Spektral syntese med slike strukturer vil bli annerledes, siden bidraget til diffraksjonsintegralet fra et enkelt element ikke lenger tilsvarer et enkeltledd i Fourier-serien i ligning 4.

Figur 5 illustrerer en dobbel matrise ifølge oppfinnelsen som viser en todimensjonal matrise av speil-elementer, der hvert omfatter et diffraktivt gitter ved overflaten.

Å lage en invers Fouriertransform for målfunksjonen som i ligning 2 gir oss en kompleks funksjon u( x) med fase og amplitudeinformasjon. Vi kan implementere en CDOE med bade amplitude og fasekontroll med en dobbelt matrise av gittere, eller en matrise av par av sub-elémenter. Hvis de to subelementene har lik vertikal posisjon er det konstruktiv interferens med maksimum amplitude. Hvis høydene til subelementene er forskjellige med en verdi tilsvarende n i faseskift er det destruktiv interferens og vi har null amplitude. Lyset er da diffraktert ut av banen.

Som beskrevet med hensvisning til figurene 2-5 tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen en løsning med større subelementer 2 i hvilke hvert er forsynt med et gitter. Gitteret på hvert subelement kan være forsynt med en hvilken som helst egnet gitterperiode uten andre begrensninger enn de som er tilstede ved produksjon av vanlige gittere.

Dimensjonene til de diffraktive subelementene ifølge oppfinnelsen bør tilsvare et antall perioder av for gjtteme på hvert subelement, for eksempel i området 150 \ xm.

Dermed er det mulig å tilveiebringe et justerbart diffraktivt gitter med en høyere oppløsning enn tilsvarende gittere ifølge den kjente teknikk, slik at det også er mer egnet for eksempel for spektroskopi-undersøkerlser, spektral filtrering osv.

Bjelkene eller subelementene ifølge figurene 2,4 og 5 kan beveges i en retning perpendikulært på elementets overflate. I figur 3 kan imidlertid, som beskrevet over, posisjonene til subelementene forskyves i lateral retning parallelt med overflaten. Hvilke som helst kombinasjoner av disse bevegelsene er selvsagt mulig, selv om de er mer komplisert å oppnå i praksis. Typisk vil bevegelsen i forhold til retningen til det innfallende eller reflekterte lyset være i størrelsesorden Vi bølgelengde av lyset.

Claims (7)

1. Konfigurerbart diffraktivt optisk element omfattende en matrise av diffraktive sub-elementer (2) med reflekterende overflater, karakterisert ved at hvert subelement har en kontrollerbar posisjon innen et valgt område og at et antall sub-elementer er forsynt med et reflekterende gitter (3) med et antall valgte spektrale egenskaper.

2. Diffraktivt optisk element ifølge krav 1, der den fysiske størrelsen til hvert diffraktive sub-element (2) er vesentlig større enn den romlige perioden til det diffraktive mønsteret (3) på hvert sub-element.

3. Diffraktivt optisk element ifølge krav 1, der posisjonen til hvert sub-element (2) er justerbart i en retning normalt på elementets overflate.

4. Diffraktivt optisk element ifølge krav 1, der posisjonen til hvert gitterelement (2) er justerbart i en retning parallelt med elementets overflate.

5. Diffraktivt optisk element ifølge krav 1, der posisjonen til hvert gitter er justerbart i en retning parallelt med den optiske aksen til den innkommende eller reflekterte lysstrålen.

6. Diffraktivt optisk element ifølge krav 1, der gifterene på gitterelementets overflate utgjøres av en diffraktiv linse.

7. Diffraktivt optisk element ifølge krav 1, der matrisen av diffraktive sub-elementer er en to-dimensjonal matrise.