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1、(10)申请公布号 CN 104280801 A (43)申请公布日 2015.01.14 C N 1 0 4 2 8 0 8 0 1 A (21)申请号 201410539223.5 (22)申请日 2014.09.27 G02B 5/18(2006.01) G02B 5/32(2006.01) (71)申请人郑敏 地址 315725 浙江省象山县新桥镇板岭村下 塔27号 (72)发明人郑敏 (54) 发明名称 任意结构衍射光学元件的制作方法 (57) 摘要 本发明提供了一种任意结构衍射光学元件的 制作方法，包括以下步骤：通过解析分别得到输 入面P1和输入面P2的相位分别为和两束光 通过分束。
2、镜，纯位相被加载到SLM上，U 1 通过物 光波和平面参考光波的干涉，被记录在全息材料 中；纯位相被加载到SLM，U 2 通过同样的方式被 记录在全息材料中，则II 1 +I 2 ；最后，经过化学 显影定影漂白过程后，制造需要的全息衍射光学 元件。本发明利用解析的方法设计和制造任意结 构衍射光学元件。首先进行了数值模拟和光学实 验，两者得到很好的吻合。如果有精密的对准仪器 可以采用，则可以利用两个SLMs来实现快速准确 的具有精密复杂位相的衍射光学元件的制作。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1。
3、页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104280801 A CN 104280801 A 1/1页 2 1.一种任意结构衍射光学元件的制作方法，其特征在于包括以下步骤： 首先，通过解析分别得到输入面P1和输入面P2的相位分别为和两束光通过分 束镜，两束光在平面输出面处可表示为Ae ia U 1 +U 2 ； 其次，纯位相被加载到SLM上，U 1 通过物光波和平面参考光波的干涉，被记录在全息 材料中 再次，纯位相被加载到SLM，U 2 通过同样的方式被记录在全息材料中则 II 1 +I 2 ； 最后，经过化学显影定影漂白过程后，制造需要的全息衍射光学元件。 2.一种任意结构衍射光。
4、学元件的制作方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤一、两位相板分别作为输入面P1和输入面P2，通过解析分别得到输入面P1和输入 面P2的相位分别为和平面镜作为输出面P3，所述输入面P1和输入面P2垂直设置， 在输入面P1和输入面P2的法线交汇处设置分束镜，平面波照射输入面P1和P2，调制成波 前为和的光波，设A 01 A 02 1，通过分束镜，两束光在平面输出面P3处可表示 为Ae ia U 1 +U 2 ， 其中FrT.指平行近似下的菲涅尔衍射或者夫 琅禾费衍射，得到相位分布为 其中，FrT -1 Ae ia ，ang(.)是指求幅角，根据解析得到的和得到Ae ia ， 假设需要制造的衍射光学。
5、元件的结构为P(x，y)，设P(x，y)cI(x，y)，其中c为常 数， 令从而制作该结构的衍射光学元件； 步骤二、从激光器发出的光束经过分束器和准直透镜变为平面波，一束光作为参考光 R，另一束通过纯位相空间光的调制，成为物光波。记录的光学强度分布可以写为 I(x，y) (2) 其中O(x，y)和R(x，y)分别为物光波和参考光波的复振幅。上标*表示共轭。假设 R(x，y)为平面波，则R(x，y)e -ikr ，复杂的物光波O(x，y)通过公式(1)计算得到两个位 相； 最后，纯位相被加载到SLM上，U 1 通过物光波和平面参考光波的干涉，被记录在全 息材料中纯位相被加载到SLM，U 2 通过。
6、同样的方式被记录在全息材料中 则II 1 +I 2 ，经过化学显影定影漂白过程后，即制作出全息衍射光学元件。 权 利 要 求 书CN 104280801 A 1/5页 3 任意结构衍射光学元件的制作方法 技术领域 0001 本发明涉及一种任意结构的衍射光学元件设计方法，属于光学元件领域。 背景技术 0002 衍射光学元件被广泛应用到许多光学领域，例如波前整形，全息投影，光学加密 等。设计光学元件其实是振幅和位相的复原。传统的光学元件设计是基于优化的迭代算法， 例如R.W.Gerchberg and W.O.Saxton，“A practical algorithm for the determ。
7、ination of phase from image and diffraction plane pictures，”J.R.Fienup，“Reconstruction of an object from the modulus of its Fourier transform，”中提到的GS算法，G.Yang， B.Dong，B.Gu，J Zhuang，and O.K.Ersoy，“Gerchberg-Saton and Yang-Gu algorithm for phase retrieval in a nonunitary transform system：a comparison”。
8、，中提到的杨-顾 算法和S.Kirkpatrick，C.D.Gelatt，and M.P.Vecchi，“Optimization by simulated annealing，”中的模拟退火算法等。这些算法在输出平面上只是近似的得到了振幅而忽略 了相位。然而，在许多的光学系统中，能够精确的同时调制振幅和相位的衍射光学元件是 非常必要的。任意结构衍射光学元件通常是通过多层掩模板，灰阶掩模板，电子束刻蚀等 方法实现的，比如Z.Cui.“Micro-Nanofabrication technologies and applications”。 这些技术非常的耗时而且昂贵。利用全息干涉的方法制作衍射。
9、光学元件是非常有效且成 本低廉的方法，尤其是在制造大面积衍射光学元件时。然而，传统的全息干涉方法只能 制作简单的光栅结构或者简单的平面镜，比如M.Farhoud，J.Ferrera，A.J.Lochtefeld， et.al.“Fabrication of 200nm period nanomagnet arrays using interference lithography and a negative resist”，T.A.Savas，Satyen N.Shah，M.L.Schattenburg， et.alAchromatic interferometric lithography 。
10、for100-nm-period gratings and grids”，H.H.Solak，Y.Ekinci，and P.Photon-beam lithography reaches12.5nm half-pitch resolution，A.Fernandez，H.T.Nguyen，J.A.Britten，et.al.“Use of interference lithography to pattern arrays of submicron resist structures for eld emission flat panel displays，”和M.Campbell，D.N.S。
11、harp，M.T.Harrison， et.al.Fabrication of photonic crystals for the visible spectrum by holographic lithography等等。 0003 衍射光学元件被广泛应用到许多光学领域，例如波前整形，全息投影，光学加密 等。设计光学元件其实是振幅和位相的复原。传统的光学元件设计是基于优化的迭代算法， 例如GS算法，杨-顾算法和模拟退火算法等。这些算法在输出平面上只是近似的得到了振 幅而忽略了相位。然而，在许多的光学系统中，能够精确的同时调制振幅和相位的衍射光学 元件是非常必要的。任意结构衍射光学元件通常是通。
12、过多层掩模板，灰阶掩模板，电子束刻 蚀等方法实现的。这些技术非常的耗时而且昂贵。利用全息干涉的方法制作衍射光学元件 是非常有效且成本低廉的方法，尤其是在制造大面积衍射光学元件时。然而，传统的全息干 涉方法只能制作简单的光栅结构或者简单的透镜。而大面积的制作任意结构的衍射光学元 说 明 书CN 104280801 A 2/5页 4 件一直是本领域的一个难题。 发明内容 0004 鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种任意结构衍射光学元 件的制作方法。 0005 为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：相较于现有技术，本发明提供的 任意结构衍射光学元件的制作方法，包括以下步骤： 。
13、0006 首先，通过解析分别得到输入面P1和输入面P2的相位分别为和两束光通过 分束镜，两束光在平面输出面处可表示为Ae i U 1 +U 2 ； 0007 其次，纯位相被加载到SLM上，U 1 通过物光波和平面参考光波的干涉，被记录在 全息材料中 0008 再次，纯位相波加载到SLM，U 2 通过同样的方式被记录在全息材料中 则II 1 +I 2 ； 0009 最后，经过化学显影定影漂白过程后，制造需要的全息衍射光学元件。 0010 本发明提供的另一种任意结构衍射光学元件的制作方法，包括以下步骤： 0011 步骤一、两位相板分别作为输入面P1和输入面P2，通过解析分别得到输入面P1和 输入面。
14、P2的相位分别为和平面镜作为输出面P3，所述输入面P1和输入面P2垂直设 置，在输入面P1和输入面P2的法线交汇处设置分束镜，平面波照射输入面P1和P2，调制成 波前为和的光波，设A 01 A 02 1，通过分束镜，两束光在平面输出面P3处可表 示为Ae i U 1 +U 2 ， 0012 其中FrT.指平行近似下的菲涅尔衍射 或者夫琅禾费衍射，得到相位分布为 0013 0014 其中，FrT -1 Ae i ，ang(.)是指求幅角，根据解析得到的和得到Ae i ， 0015 假设需要制造的衍射光学元件的结构为P(x，y)，设P(x，y)cI(x，y)，其中c 为常数， 0016 令从而制作。
15、该结构的衍射光学元件； 0017 步骤二、从激光器发出的光束经过分束器和准直透镜变为平面波，一束光作为参 考光R，另一束通过纯位相空间光的调制，成为物光波。记录的光学强度分布可以写为 0018 I(x，y) (2) 0019 其中O(x，y)和R(x，y)分别为物光波和参考光波的复振幅。上标*表示共轭。假 设R(x，y)为平面波，则R(x，y)e -ikr ，复杂的物光波O(x，y)通过公式(1)计算得到两个 位相； 0020 最后，纯位相被加载到SLM上，U 1 通过物光波和平面参考光波的干涉，被记录在 说 明 书CN 104280801 A 3/5页 5 全息材料中纯位相被加载到SLM，U。
16、 2 通过同样的方式被记录在全息材料中 则II 1 +I 2 ，经过化学显影定影漂白过程后，即制作出全息衍射光学元件。 0021 本发明利用解析的方法设计和制造任意结构衍射光学元件。首先进行了数值模拟 和光学实验，两者得到很好的吻合。如果有精密的对准仪器可以采用，则可以利用两个SLMs 来实现快速准确的具有精密复杂位相的衍射光学元件的制作。 附图说明 0022 图1为干涉示意图； 0023 图2a为实验记录光路图； 0024 图2b为实验再现光路图； 0025 图3为数值模拟所得位相板示意图； 0026 图4a为位相板微观结构实验效果图； 0027 图4b为再现艾里光斑实验效果图。 具体实施方。
17、式 0028 本发明提供一种任意结构衍射光学元件的制作方法，为使本发明的目的、技术方 案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解， 此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 0029 实施例 0030 本实施例公开的任意结构衍射光学元件的制作方法，。 0031 如图1所示，往分束器照射有平面波，经过分束镜，平面波照射两块位相板或者输 入面，两个位相板分别具有相位和平面波照射两块加有相位的位相板，然后就被调制 成波前为和的光波，为了简便A 01 A 02 1，通过分束镜，两束光在平面输出面 P3处可表示为Ae i U 1 +U 2 ，其中F。
18、rT.指平行近 似下的菲涅尔衍射或者夫琅禾费衍射。可以得到相位分布为 0032 0033 其中，FrT -1 Ae i ，ang(.)是指求幅角，因为相位和是解析得到的，所 以当两束光干涉时，我们可以非常精确的得到Ae i 。 0034 当具有任意结构P(x，y)的衍射光学元件需要被制造时，因为对于光刻材料或者 银盐乳胶来说，显影是正比如光强的，我们可以将此结构P(x，y)看做光强I(x，y)，即 P(x，y)cI(x，y)，c为常数。然后令即可根据图1开始制作任意结 构的衍射光学元件。 0035 因为两次的位相结构需要加到SLM上，而且需要精确的对准，实验室现有条件很 难达到在一个微米量级的。
19、精确对准，所以，我们提出了双次曝光技术，来实现全息衍射光学 说 明 书CN 104280801 A 4/5页 6 元件的制作。证明了所提出方法的可行性。 0036 光学实验装置如2(a)所示，我们在实验中采用了一个空间光调制器(SLM)，通过 二次曝光技术，使得两次制作的全息衍射光学元件重合起来。从激光器发出的光束经过分 束器和准直透镜变为平面波，一束光作为参考光R，另一束通过纯位相空间光的调制，成为 物光波。记录的光学强度分布可以写为 0037 I(x，y) (2) 0038 其中O(x，y)和R(x，y)分别为物光波和参考光波的复振幅。上标*表示共轭。假 设R(x，y)为平面波，则R(x，。
20、y)e -ikr ，复杂的物光波O(x，y)可以通过公式(1)计算得到 两个位相，制作的过程可以描述如下： 0039 首先，纯位相被加载到SLM上，U 1 通过物光波和平面参考光波的干涉，被记录在 全息材料中其次，纯位相被加载到SLM，U 2 通过同样的方式被记录在全息材 料中则II 1 +I 2 ，这就是两次曝光技术。经过化学显影定影漂白过程后，需要 的全息衍射光学元件就被制造出来了。 0040 当参考光波R照射到所制作成的全息衍射光学元件上时，再现光可以表示为： 0041 0042 在图2(b)所示的输出平面上，就可以得到原始的设计光束 0043 0044 为了验证此方法的可行性，我们设计。
21、并且加工制作了三次位相板的全息衍射光学 元件。利用这样的衍射光学元件，可以将入射平面波调制为艾利光束。实验的参数如下： He-Ne激光器，波长为632.8nm，功率为50mw。反射型纯位相SLM(Holoeye Pluto)，活跃区 域为8.64mm8.64mm像素大小为8m8m，像素数为10801080。记录的银盐干板的 面积和SLM的尺寸一样。SLM和记录干板的距离为200mm，SLM和记录平面的倾斜角为5， 所以倾斜引起的变化可以忽略。利用数值模拟了位相分布如图3所示，然后将他们 一次加载到SLM上。 0045 实验光路如图2(a)所示。利用位相调制的物光波分别与参考光波在全 息记录干板。
22、平面干涉。干涉条纹通过两次曝光，就记录下来。针对银盐干板的敏感性，合 适的控制两次曝光的时间比，可以得到记录着干涉条纹的全息衍射光学元件，如图4(a)所 示，利用光学轮廓仪(Veeco wyko NT9100)记录的图像。细条纹是由SLM的每一个像素调 制的，而不规则的主条纹，则是全息光学元件的位相分布。然后，分析了全息衍射光学元件 的光学特性。当一束平面波照射到全息衍射光学元件上时，如图4(b)所示，在傅里叶透镜 的后焦面上，可以利用CCD(Lumenera Innity4-11c)采集得到艾里光束。采集的图像为全 息衍射光学元件的+1级，衍射效率约为22，包括SLM零级引起的噪声。艾里光束。
23、的主要 波形的衍射效率约为15。如果利用了重铬酸明胶制作体积全息图，衍射效率可以得到提 高。艾里光束的不均性是由SLM的非100填充所导致的零级引起的。均匀的噪声是由全 说 明 书CN 104280801 A 5/5页 7 息衍射光学元件在制作的过程中空气的波动，曝光的时间比例，后期的显影定影工艺以及 干板的细微震动引起的。制作的衍射光学元件的分辨率受到了SLM像素大小的影响。如果 采用了微缩系统，则分辨率可以得到提高。 0046 本发明利用解析的方法设计和制造任意结构衍射光学元件。首先进行了数值模拟 和光学实验，两者得到很好的吻合。如果有精密的对准仪器可以采用，则可以利用两个SLMs 来实现快速准确的具有精密复杂位相的衍射光学元件的制作。 0047 可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发 明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保 护范围。 说 明 书CN 104280801 A 1/2页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104280801 A 2/2页 9 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104280801 A 。