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1、(10)申请公布号 CN 103124914 A (43)申请公布日 2013.05.29 CN 103124914 A *CN103124914A* (21)申请号 201180039490.0 (22)申请日 2011.08.12 61/373,501 2010.08.13 US G02B 5/04(2006.01) (71)申请人 宾夕法尼亚州立大学研究基金会 地址 美国宾夕法尼亚州 (72)发明人 刘志文 杨川 施可彬 佩里爱德华兹 (74)专利代理机构 北京万象新悦知识产权代理 事务所 ( 普通合伙 ) 11360 代理人 李稚婷 (54) 发明名称 基于色散聚焦复合功能衍射光学元件。
2、的微型 光谱仪 (57) 摘要 本 发 明 的 具 体 实 现 提 供 了 一 种 被 称 为 “G-Fresnel” 的可同时实现线性光栅和菲涅耳透 镜功能的器件。我们使用 PDMS 软刻蚀技术已经 制成了 G-Fresnel 器件。该器件已用三维表面轮 廓测定法检验其质量。我们也通过光学特性表征 确认了本器件同时聚焦和色散的双重功能。本 G-Fresnel 器件可以用于开发微型光谱仪以及新 兴的各种光流体应用。我们也提供了用该衍射光 学器件制作小型光谱仪的具体实现设计。理论模 拟结果表明， 毫米级大小的 G-Fresnel 器件的光 谱分辨率可达到约 1 纳米。实验已经证明一个概 念验证性。
3、 G-Fresnel 光谱仪可以达到亚纳米级的 光谱分辨率。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2013.02.16 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2011/047596 2011.08.12 (87)PCT申请的公布数据 WO2012/021811 EN 2012.02.16 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 8 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2页 说明书8页 附图8页 (10)申请公布号 CN 103124914 A CN 103124914 A *CN103124914A* 1/2。
4、 页 2 1. 一种衍射光学器件， 包含 ： 菲涅耳透镜一侧 ： 此面刻有多个同心啁啾环形槽， 刻槽间距由中心向外递减 ； 以及 光栅一侧 ： 此面刻有多个线形刻槽 ； 该衍射光学器件的相位函数包含一个径向二次相位分布项和一个一维线性相位分布 项， 所述衍射光学器件具有同时聚焦入射光波和色散不同波长的双重特性。 2. 根据权利要求 1 所述的衍射光学器件， 其透射率或反射率分别与线光栅和菲涅耳透 镜的透射率或反射率乘积成正比 ； 该衍射光学器件的透射率和反射率由下式计算 其中 t(x， y) 为衍射聚焦组件的透射率或反射率， 为波长， F 为菲涅耳透镜的焦距， 为光栅的周期。 3. 根据权利要。
5、求 1 所述的衍射光学器件， 所述光栅一侧有镀膜。 4. 根据权利要求 1 所述的衍射光学器件， 所述菲涅耳透镜一侧有镀膜。 5. 根据权利要求 4 所述的衍射光学器件， 所述菲涅耳透镜一侧的镀膜为金属涂层。 6. 根据权利要求 1 所述的衍射光学器件， 其一侧镀有液态金属膜， 从而使该器件成为 反射型衍射光学器件。 7. 根据权利要求 1 所述的衍射光学器件， 其中菲涅耳透镜一侧与光栅一侧之间至少有 一个封闭隔绝空间， 而每一个封闭隔绝空间中选择性地含有一种流体材料， 变更其中至少 一种流体材料或流体材料的性质都会使该衍射光学器件的性能发生改变。 8. 根据权利要求 7 所述的衍射光学器件，。
6、 所述封闭隔绝空间中含有一种流体材料。 9. 一种光谱仪， 包含一个狭缝， 权利要求 1 所述的衍射光学器件， 和一个检测器阵列。 10. 根据权利要求 9 所述的光谱仪， 其衍射光学器件没有镀反射膜， 从狭缝发出的发散 光波经过该衍射光学器件后同时被色散和聚焦， 从而不同波长被分开并继而被沿不同波长 聚焦的轨迹放置的检测器阵列检测。 11. 根据权利要求 9 所述的光谱仪， 其衍射光学器件的光栅一侧镀有反射膜， 从狭缝发 出的发散光波经过衍射光学器件反射后同时被色散和聚焦， 从而不同波长被分开并继而被 沿不同波长聚焦的轨迹放置的检测器阵列检测。 12. 根据权利要求 9 所述的光谱仪， 该光。
7、谱仪通过将衍射光学器件和至少一个便携光 器件或电子装置集成而实现小型化。 13. 一种通过压印或主模具复制制造衍射光学器件的方法， 包含 ： 制备一个衍射光学器件 ； 制备上述衍射光学器件的第一侧和第二侧的压印模 ； 并且 通过把衍射光学器件的第一侧和第二侧的压印模刻录在一种可变形材料上的办法来 制造多个衍射光学器件， 上述制备的每一个衍射光学器件选择性地在其第一侧和第二侧之 间包含至少一个封闭隔绝空间。 14. 一种衍射光学器件的制造方法， 包含 ： a) 将第一种预聚物倾注在一个菲涅耳透镜的表面 ； b) 使上述第一种预聚物在原位固化， 从而形成一个负菲涅耳透镜模具 ； c) 把第二种预聚。
8、物放置在负菲涅耳透镜模具和一个光栅之间 ； 并且 权 利 要 求 书 CN 103124914 A 2 2/2 页 3 d) 将上述第二种预聚物固化， 从而形成一个衍射光学器件。 15. 根据权利要求 14 所述的制造方法， 其中所使用的第一种预聚物是聚二甲基硅氧 烷。 16. 根据权利要求 14 所述的制造方法， 其中所使用的第二种预聚物是聚二甲基硅氧 烷。 17. 根据权利要求 14 所述的制造方法， 其中所使用的第一种预聚物和第二种预聚物均 为聚二甲基硅氧烷。 18. 一种衍射光学器件， 其衍射光栅和菲涅耳结构在同一侧上， 包含 ： 第一侧和第二侧， 上述第一侧包含多个菲涅耳式同心啁啾环。
9、形槽， 其中刻槽间距由中 心向外递减， 以及光栅式多个线形刻槽 ； 上述第二侧为平面 ； 此衍射光学器件的相位函数包含一个径向二次相位分布项和一个一维线性相位分布 项， 此衍射光学器件具有同时聚焦入射光波和色散不同波长的双重特性。 19. 根据权利要求 18 所述的衍射光学器件， 其第一侧和第二侧中至少有一侧有镀膜。 20. 一种光谱仪， 包含 ： 一个狭缝， 一个权利要求 18 所述的衍射光学器件， 和一个探测 器阵列。 权 利 要 求 书 CN 103124914 A 3 1/8 页 4 基于色散聚焦复合功能衍射光学元件的微型光谱仪 0001 参见相关申请 0002 在此声明本申请要求美利。
10、坚合众国 NO.61/373,501 临时专利申请的优先权。该临 时专利申请在 2010 年 8 月 13 日提交， 并通过引用被纳入本申请。 0003 关于联邦资助的研究或技术开发的声明 0004 此项发明由政府通过国家科学基金 No.DBI0649866， ECCS0547475 支持。制作负菲 涅耳模具的菲涅耳透镜由 OIDA Photonics Technology Access Program 提供。OIDA PTAP 是由国家科学基金和国防前沿研究项目机构资助。 根据与康奈尔大学的国家科学基金合作 协议 No.0335765， 国家纳米科技基础设施网络， 相关光学轮廓曲线测量在宾州。
11、州立大学材 料研究所纳米加工实验室进行。政府对此发明享有一定权利。 0005 发明背景 0006 发明技术领域 0007 此项发明的具体实例涉及具有聚焦和色散入射光双重功能的衍射光学元件， 及复 制该衍射光学元件的模具器件， 和基于该元件的小型光谱仪。 0008 相关技术描述 0009 光谱仪是现代科学和工程中最重要的和最广泛使用的仪器之一 ( 参考 J.James， Spectrograph Design Fundamentals， Cambridge University Press， Cambridge， 2007)。 在材料测量、 化学检测和生物医学诊断等众多领域都有它的大量应用。考虑。
12、到光谱学在当 今许多飞速发展的领域中的重要地位以及繁荣的便携电子产业 ( 手机、 笔记本电脑等 )， 对 于未来可能集成于移动电子终端的经济型微型光谱仪的需求正在增加。 0010 尽管光谱仪的性能不断提高， 但是分离光元件(准直和收集曲面镜、 衍射光栅)的 使用是造成传统光谱仪笨重和昂贵的主要原因。针对这个问题科研人员进行了多种尝试， 比如利用单个凹型光栅将凹镜的准直和采集功能与衍射光栅功能结合 ( 参考 C.Palmer， and E.Loewen， Diffraction grating handbook(Newport Corporation， 2005)。另一种 新近出现的方法是体全息。
13、光谱仪， 它利用体全息取代了入光狭缝、 聚光曲镜和光栅 ( 参考 C.Hsieh， O.Momtahan， A.Karbaschi， andA.Adibi， Appl.Phys.B91， 1(2008)。其他尝试包 括波导光栅和集成微机械系统等方法。 0011 发明简介 0012 本发明的具体实例所涉及的衍射光学元件将高数值孔径透镜功能 ( 比如菲涅耳 透镜 ) 和衍射光栅集成在一起。该元件可以是弯曲或者平面结构。我们将这种结合了光栅 和菲涅耳透镜的元件称作 G-Fresnel 部件， 也可以称作 G-Fresnel 透镜， 或者简单地称为 G-Fresnel。 其他实现方法可以利用其它衍射光。
14、器件， 比如， 但不仅限于， 单面表面结构或新 型微型光谱仪所需的 G-Fresnel 器件。 0013 进一步的， 本发明涉及用聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane， PDMS) 软刻蚀 加工该器件。 PDMS印刷将光栅和菲涅耳透镜的功能融合进一个复合器件中。 相比于传统透 镜和凹镜， G-Fresnel 透镜的 f-number(f/#) 较小， 使得它有潜力做出比应用传统技术更小 的光谱仪。另外， G-Fresnel 的表面结构特性使通过复制模板的低成本大规模生产成为可 说 明 书 CN 103124914 A 4 2/8 页 5 能。 附图说明 0014 图 1 。
15、展示了透射型 G-Fresnel(T-G-Fresnel) 的聚焦色散复合功能。 0015 图 2 是 G-Fresnel 制作流程图， 其中 ： (a) 将 PDMS 预聚物倒在菲涅耳透镜表面 ； (b) 经过原位固化形成负菲涅耳透镜模具并可以揭下 ； (c) 将 PDMS 预聚物夹在负菲涅耳 透镜模具和光栅之间 ； (d) 固化后形成透射型 G-Fresnel ； (e) 通过在透射型 G-Fresnel 光 栅一侧镀反射膜可以获得反射型 G-Fresnel ； (f) 负菲涅耳透镜模具成品照片 ； (g) 透射型 G-Fresnel 成品照片 ； (h) 反射型 G-Fresnel 成品。
16、照片 ( 光栅面向上 )。 0016 图3给出通过光学轮廓仪测量的负菲涅耳模具和透射型G-Fresnel器件的菲涅耳 镜一面的表面轮廓。(a) 和 (b) 分别是负菲涅耳模具和透射型 G-Fresnel 器件的菲涅耳镜 一面中间部分的表面轮廓三维图像 ； (c) 和 (d) 分别是负菲涅耳模具和透射型 G-Fresnel 器件的菲涅耳镜一面边缘部分的表面轮廓三维图像 ； (e) 模具和透射型 G-Fresnel 器件中 间部分径向方向表面高度对比 ； (f) 模具和透射型 G-Fresnel 器件边缘部分径向方向表面 高度对比。 0017 图 4 给出光学特性测试结果 ： (a) 实验装置示意。
17、图 ； (b) 准直超连续谱光通过 T-G-Fresnel 后产生的聚焦衍射图样 ； (c) 光栅产生的衍射图样 ； (d) 几种示例波长下得到 的强度分布图 (486.0nm， 525.3nm， 564.7nm， 604.1nm， 643.5nm and682.8nm)。 0018 图 5 展示了包含了透射型 G-Fresnel 或反射型 G-Fresnel 器件的示范光谱仪设计 图。 0019 图 6 是计算机生成的 (a) 双面微型 G-Fresnel 表面结构侧面图 ( 中间部分 ) 和 (b) 单面微型 G-Fresnel 表面结构截面图。 0020 图7(a)示意图给出了模拟所用的。
18、几何结构。 图7(b)显示在三种示例波长(490nm， 500nm， 510nm)下计算所得的一阶衍射图样强度分布 ； 焦点位置可以通过虚线拟合。 图7(c) 显示根据图 8(c) 实验结果优化所得位置上放置一倾斜虚拟检测器所接收到的多个波长 (496nm-504nm) 点扩散函数计算结果。 0021 图 8(a) 是 G-Fresnel 光谱仪结构示意图。图 8(b) 中展示了安装固定好的 G-Fresnel器件。 图8(c)给出了分别由G-Fresnel光谱仪和商用光谱分析仪测量的氩离子 激光部分光谱。图 8(d) 校准后的像素 - 波长关系。 0022 图 9 显示测量所得的通过 (a)。
19、 激光线滤光器和 (b) 长波滤光器的透射光谱。 0023 发明的具体介绍 0024 本发明的具体实例提供了具有光栅和菲涅耳透镜双重功能的 G-Fresnel 器件。我 们通过理论分析证明 G-Fresnel 可以在对点源成像的同时分离其中的不同光谱成分。双 面透射和反射型 G-Fresnel 器件可以通过 PDMS 软刻蚀技术制作。同时我们利用 3D 表面 轮廓曲线测量检验成品的质量。最后通过光学特性测量实验证明了该器件的聚焦色散 双重功能。本发明有潜力通过表面结构复制进行大规模生产， 并达到很小的 f/#， 这使得 G-Fresnel 开启了经济微型便携式光谱仪发展的新方向。 0025 本。
20、发明具体实例提供的光学元件有由很多同心啁啾刻槽组成的菲涅耳镜一侧， 刻 槽间距从里往外逐渐减小。该元件也包括由大量线型刻槽组成的光栅一侧。一般来说这些 说 明 书 CN 103124914 A 5 3/8 页 6 刻槽相互平行。 0026 在一些具体实例中该元件需要单面或者双面镀膜或表面处理。 在一个优选的实例 中可在光栅一侧镀反射膜。其他种类膜可透射特定频率光。镀膜可以是， 但不仅限于， 例如 金属薄膜、 液态金属膜和电介质材料镀膜。 0027 此类光谱仪可被应用于科研领域或者作为消费类电子产品。比如说， 某人用餐时 可以用它来检测食物中是否含有会导致过敏的成分。 该产品也可以为天文学与空间。
21、科学研 究提供多种类型的小型化光谱仪器。该器件还可以被应用在文件与纸币的真伪鉴定， 化学 物质探测， 以及生物医学等领域。 0028 考 虑 到 该 器 件 (G-Fresnel) 可 被 方 便 的 集 成 到 基 于 PDMS 软 刻 蚀 技 术 的 光流器件上， 我们相信 G-Fresnel 可以在光流器件研究的新兴领域找到令人兴奋 的 应 用 ( 关 于 光 流 体 的 讨 论，参 考 Y.Fainman， L.P.Lee， D.Psaltis and C.Yang， Optofluidics-Fundamentals， Devices and Applications(McGraw-。
22、Hill， 2010)， 例如芯 片光谱分析。 0029 其他实例提供制造衍射光学元器件的方法， 包括， 将预聚物拷贝于菲涅耳透镜表 面、 固化所述第一种预聚物， 从而制成一个负菲涅耳透镜模具。固化可在原位进行。然后第 二种预聚物放置于该负菲涅耳透镜模具和一光栅之间， 所述第二种预聚物固化而形成一衍 射光学器件。 0030 对于预聚物的选择有多钟选项。比如说， 第一种预聚物可以是聚二甲基硅氧 烷， 第二种预聚物可以是聚二甲基硅氧烷。G-Fresnel 的构成材料也可以是其他固态材 料， 比如说玻璃、 塑料、 或者其它聚合物例如 SU8、 PMMA。其亦可由生物聚合物构成， 比如 说丝 ( 参考。
23、 F.G.Omenetto and D.L.Kaplan， New Opportunities for an Ancient Material， Science329， 528-531(2010).)。它也可以由光流系统结构中的可调节的、 动 态的液体或流体材料构成。 0031 该发明特别适合于光流体领域的应用。比如可以通过上述方法在 G-Fresnel 器件 的菲涅耳面和光栅面加入一个空腔。 例如这可以通过将负菲涅耳透镜模具和负光栅模具之 间由空隙分开来实现。另外一个方法是将菲涅耳透镜器件和光栅器件合成在 G-Fresnel 器 件的同一侧， 而该器件的另一侧是平面。该光学器件的两个面之间可。
24、以形成一个空腔。 0032 该空腔形成后可以在其中填充各种流体， 包括空气、 水、 酒精、 气体复合物或元素、 或者其他任何可能被本领域技术人员选用的流体。以这种方式， 单个 G-Fresnel 的属性可 以通过改变流体成分因此改变通过该光学元件的光学路径被调节， 以满足特定的应用的需 要。 0033 在本发明的进一步的实施例中， 光学元件可包括多个空隙。 举例来说， 该光学元件 可能在一侧有菲涅耳组件， 另一侧有光栅组件， 以及一个空隙将这两部分分离， 此空隙可进 一步分成两个相互独立的空隙， 一个与菲涅耳面相接触， 另一个与光栅面相接触。 这允许对 光学元件不同侧的流体进行相互独立的调整。。
25、 0034 该发明的实现可以 ( 但并不必须 ) 提供许多优势。举例来说， 该类器件可以将聚 焦、 色散和采集的多重功能集成于一个薄膜器件上。 第二， 该类器件可以具有很小的f/#， 从 而实现小型化系统。 第三， 该类器件可以通过表面图案来实现， 这样就为基于主模具复制的 低成本大批量生产提供了可能。 当然， 除非权利要求书要求， 并不必须在特定器件上实现所 说 明 书 CN 103124914 A 6 4/8 页 7 有这些优势。 0035 为了使其具有透镜和光栅的双重功能， 该衍射光学器件的透射 ( 或者反射 ) 系数 应该为 0036 0037 其中 是波长， F 是对应于该波长 的焦。
26、距， 是光栅周期， 代表器件的衍 射效率。由于式 (1) 包含了菲涅耳透镜透射系数和线性光栅透射系数的乘积， 该衍射光学 元件将在后面的描述中被称为 G-Fresnel。现在考虑一个位于 (x0， y0， -d)( 如图 1(a) 的 点源。在近轴近似下， G-Frenel 之后的场分布可以通过如下菲涅耳衍射公式来计算 ( 参考 J.W.Goodman， 傅立叶光学导论， Roberts&Company， Englewood， Colorado， 1996) ： 0038 0039 0040 其中 p(x， y) 是 G-Fresnel 的光瞳函数。可以证明， 点源的几何成像将会位于 xi， 。
27、yi， L)， 并且坐标满足关系 0041 (3) 0042 0和 F0分别为 G-Fresnel 的设计波长和设计焦距 ( 注 ： F 0F0； 参考 Francis T.S.Yu， An Introduction to Diffraction， Information Processing， and Holography(The MIT Press， 1973) ； K.Shi， Supercontinuum Imaging and Spectroscopy， Penn State Doctoral Dissertation， 2007.)。因此， 一个 G-Fresnel 可以在对一个点。
28、源成 像的同时， 对其不同的波长成分进行色散。 从式(3)可知以下xi和L之间的线性关系成立 ： 0043 (4) 0044 换言之， 不同波长的焦点都分布在一条斜率为的直线上。 0045 注意式 (1) 可重写为 0046 (5) 0047 其中 xc F/。换言之， 一个 G-Fresnel 器件等效于一个轴心被位移至 (xc， 0)的离轴菲涅耳透镜。 但是由于菲涅耳透镜的环形光栅周期是啁啾的并且反比于离透镜中 心的距离， 当 xc值很大时这种离轴菲涅耳透镜的制作就变得更加困难。比如说， 考虑到一 个光栅周期 ， 有效中心位移为 xc F， 这就需要一个具有亚波长细节的大菲涅耳透 镜。一个。
29、 G-Fresnel 器件也可以被解释为通过一个发散球面参考波和一个会聚信号波记录 的薄全息， 可以表达为下式 ： 0048 说 明 书 CN 103124914 A 7 5/8 页 8 0049 (6) 0050 式 (6) 括号中第一项 ( 第二行 ) 在 F l/2 和 /xc的条件下是一个 G-Fresnel 器件。然而， 一个薄全息同样包含了一个共轭项 ( 式 (6)， 并且通常情况下具有 有限的衍射效率。 0051 器件加工和表征 0052 例 1PDMS 软刻蚀制作 0053 在这个例子中， 我们描述了一个通过 PDMS 软刻蚀制作 G-Fresnel 器件的简单方 法。关于软刻。
30、蚀的一般讨论可见 “J.A.Rogers， R.G.Nuzzo，“Recent progress in soft lithography， ” Materials Today， 8， 2， 50-56(2005)” 。制作步骤示于图 2. 简单地说， 先用 PDMS预聚物混合物(Dow Corning， Sylgard-184PDMS， 胶基 ： 固化添加剂重量比例为101) 浇盖在一个菲涅耳透镜的表面上 ( 如图 2(a) 所示， 菲涅耳透镜在下方 )。该预聚物在室温 下放置两天原位固化后， 一个负的菲涅耳透镜模具就成型并且可以被剥离(如图2(b)。 图 2(f) 展示了一个用该种方法制作的。
31、负菲涅耳模具。 0054 我 们 接 下 来 将 PDMS 预 聚 物 夹 在 负 的 菲 涅 耳 模 具 和 一 个 光 栅 (Newport， 300lines/mm) 之间 ( 如图 2(c)。该光栅被固定置于一个线性位移平台上， 这样可以调 整两个模具间的距离， 即器件的厚度。经过室温中两日固化后， 可以制作出一个透射型 G-Fresnel(T-G-Fresnel) 器件 ( 如图 2(d)。图 2g 是用该方法制作的 T-G-Fresnel 器件 的照片。反射型 G-Fresnel(R-G-Fresnel) 器件可以通过对 T-G-Fresnel 光栅面镀一层薄 反射膜制作， 如图 。
32、2(e) 所示。图 2-h 展示了 R-G-Fresnel 的照片， 其光栅面使用溅射镀膜 系统 (Kurt Lesker CMS-18/RF) 镀上了一层 50nm 厚的金膜。 0055 任何一种镀膜都可以被使用， 只要它可以贴附于 PDMS( 或者其他制作 G-Fresnel 的材料 ) 并且可以在适用波段反射光。这些包括但不局限于比如金属薄膜、 液体金属和介 电薄膜等。镀膜根据不同的应用需要可以是反射型、 透射型、 或者部分反射 / 透射型。该镀 膜同样可以提供滤波功能。在不同面或者不同位置， 一个 G-Fresnel 可能有两个或者更多 的不同的镀膜。 0056 尽管这里提供的示范是用。
33、压制预聚物的制作方法， G-Fresnel 可以用很多方法制 作。这些方法包括但不仅限于刻蚀 ( 比如， 软刻蚀、 聚焦粒子束刻蚀、 光刻或电子束刻蚀 )、 金刚石车削、 激光雕刻加工、 全息、 基于光流体方法的液态 G-Fresnel 制作、 以及使用压印 或者纳米印刷方法进行批量化生产。 0057 为了检查通过 PDMS 软刻蚀制作的 G-Fresnel 器件质量， 我们使用了轮廓曲线仪 (WYKONT1100)来测量负菲涅耳模具和T-G-Fresnel器件中菲涅耳面的三维表面轮廓。 测量 结果展示于图 3 中。其中 (a) 和 (b) 分别对应于负模具中心部分和 (G-Fresnel 器。
34、件的 ) 菲涅耳面的典型的三维表面轮廓。(c) 和 (d) 则分别对应于边缘部分。图 3(e) 和 (f) 进一 步显示了两个器件的中心和边缘部分沿轴向方向的表面高度轮廓。为便于进行比较， 这些 图线进行了适当平移以相互对齐。正如所期望的， 负菲涅耳模具和 T-G-Fresnel 器件的菲 涅耳面的高度轮廓显示出反相关性。很明显， 我们获得了从模具到 G-Fresnel 器件的高质 量的图案拷贝。 说 明 书 CN 103124914 A 8 6/8 页 9 0058 必须要指出的是， G-Fresnel 具有许多菲涅耳透镜和光栅的优势， 但它绝不仅仅是 两者的简单组合。相反， 一个 G-Fr。
35、esnel 可以通过单面表面起伏结构来实现， 而这个单面起 伏分布既不像一个菲涅耳透镜， 也不像一个光栅。这种设计的实现也为基于单模具的低成 本批量生产提供了可能性。 0059 实现一部光学光谱仪的关键要求在于将一个源自狭缝的发散波前映射到色散后 的会聚波前并进行探测。 为了实现小型光谱仪， 需要单一衍射光学元件来完成这些功能。 我 们提出的 G-Fresnel 结合了光栅和菲涅耳透镜的性质， 提供了更为简单的方法来完成这个 任务。尽管光栅已经被广泛应用于光谱仪器， 但是菲涅耳透镜的使用却非常罕见。为了研 发一种高分辨率的小型光谱仪， 应尽量保持光栅光阑大小同时减少系统的纵向尺寸。我们 提出的。
36、设计中， G-Fresnel 提供了大数值孔径和小的 f/#， 因此非常适合该目的。 0060 另外， 我们利用由飞秒激光脉冲在高非线性光子晶体光纤 ( 参考 J.C.Knight， T.A.Birks， P.S.Russell and D.M.Atkin，“All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding， ” Opt.Lett， 21， 1547-1549(1996) 中产生的超连续白 光谱 ( 参考 J.K.Ranka， R.S.Windeler andA.J.Stentz，“Visible conti。
37、nuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at800nm， ” Opt.Lett.25， 25-27(2000)， 对 T-G-Fresnel 型器件 ( 如图 2(g) 所示 ) 的光学 性能进行了表征。图 4(a) 为该实验系统的示意图。简单地说， 一束准直的超连续光束 ( 直 径 ： 10 毫米 ) 入射到 T-G-Fresnel 上。经过 T-G-Fresnel 透射的光束聚焦后包含了各 级的衍射项， 如图 4(b) 所示。中心处聚焦的亮斑对应于零级衍射， 。
38、即直接透过的光束， 而两 边的彩虹带则对应于高阶的衍射 (1， 2， 等 )。与此相反， 若该经准直的超连续光束直 接入射到光栅上， 仅能产生未聚焦的衍射图案， 如图 4(c) 所示。 0061 为了更深入地研究该器件的聚焦色散双重特性， 我们使用多模光纤作为探针。该 探针被放置于 T-G-Fresnel 后， 且在机动平移平台的控制下进行二维扫描 ( 即沿轴向和某 一横向， 如图 4(a) 所示 )。扫描区域为 4mm( 横向 )25mm( 轴向 )。多模光纤输出的信 号由光谱仪探测 (PI/Acton SpectraPro2500 ： 配备有经液氮冷却的 CCD 探测器 PI/Acton 。
39、Spec-10)。 图4(d)显示了对多个波长分量测量的强度分布。 该图说明了不同波长的分量经 T-G-Fresnel器件聚焦并且沿不同的方向传播。 图5为基于本发明的光谱仪的一个实例， 其 主要的光学元件包括了一个入口狭缝， 一个 G-Fresnel 器件以及一个线型探测器阵列。反 射型的 G-Fresnel 器件可以实现更紧凑的光谱仪设计。 0062 我们的实验结果表明， 这种 G-Fresnel 器件同时具有光栅和菲涅耳透镜的性质， 故可以同时对光进行色散和聚焦。注意， 根据式 (4)， 当使用准值的超连续光时 (d )， 不同波长的焦点轨迹平行于光轴 (z)， 这与图 4(d) 所示的。
40、测量结果相一致。 0063 例 2理论分辨率 0064 在例 2 中， 我们考虑一个假想的透射型 G-Fresnel 衍射光学元件。为了实现色散 和聚焦的双重功能， 透过率可由式 T(x， y) TG(x， y)TF(x， y) 表达， 其中 TG(x， y)、 TF(x， y) 分别表示该器件中的光栅组件和菲涅耳透镜组件的透过率。 光栅和菲涅耳透镜均可由表面 起伏图案实现。它们的透过率表达式由下式给出 ： 0065 (i GorF) (7) 说 明 书 CN 103124914 A 9 7/8 页 10 0066 其中 为波长， n 为衬底材料折射率系数， hG和 hF为各自的表面高度分布函。
41、数。 这种 G-Fresnel 器件可由下面两种方式实现 ： 将光栅和菲涅耳透镜分别放置在器件相对的 两边 ( 双边型 ) ； 或者， 将它们叠加放置在器件的同一侧 ( 单边型 )。图 6 显示了计算机产 生的双边型 G-Fresnel 结构 ( 图 6(a) 和单边型结构 ( 图 6(b) 中心部分的表面轮廓。其 中对于单边型结构， 它的表面高度为光栅和菲涅耳透镜各自表面高度的叠加， 即 h(x， y) hG(x， y)+hF(x， y)。 0067 在此例的模拟计算中， 光栅的轮廓函数 hG(x， y) 被设定为每毫米 (mm) 具有 200 个 刻槽的周期型锯齿波状。 在该结构中的菲涅耳。
42、透镜组件具有连续起伏轮廓。 在设计波长0 500nm 时， 其焦距为 f0 1cm。其直径为 4.096mm( 相应的 f/# 2.4)。这种 G-Fresnel 器件的一个很重要的优点是能在薄膜元件中实现小的 f/#， 为超小型光谱仪的实现提供了 可能。菲涅耳透镜组件的表面高度分布由下式给出 0068 0069 (8) 0070 其中， m 1， 2， 3.M， 为菲涅耳带编号。 0071 为了定量评估可达到的光谱分辨率， 我们假想有一单色点光源放置在离 G-Fresnel 器件 2cm 处 ( 即 2f0)， 见图 7(a)。在 G-Fresnel 后 (z 0) 的光场 U0(x， y)。
43、 由 下式给出 0072 (9) 0073 (10) 0074 其中 P(x， y) 为光瞳函数。G-Fresnel 之后的光场 U1(x， y， z) 可根据惠更斯菲涅 耳原理计算得到。 0075 (11) 0076 (12) 0077 (13) 0078 我们首先计算了该点源几何图像周围区域的光强分布 (1.9mm x 2.1mm 以及 18.7mm z 21.3mm， 见图 7(a) 中标记的矩形 )。图 7(b) 给出了三个不同波长 (490nm， 500nm 和 510nm) 处的一级衍射图样 (y 方向叠加 )。我们能清楚的看到所设计 G-Fresnel 的聚焦和色散双重特性。不同。
44、波长对应的焦点落在斜率为 dx/dz 0f0/(d) 0.5 的 一条斜线上， 其中 d 2f0， 为光栅周期。 0079 假定一个阵列探测器 ( 像素间距为 5m) 沿该斜线放置， 如图 7(b) 所示。保持 斜率不变的同时对截距做优化， 可计算得到位于假设的探测器上在多个波长 ( 从 496nm 到 504nm， 间隔为 1nm) 的点扩散函数， 并绘于图 7(c)。从图 7(c) 中可以看出， 该 G-Fresnel 实 现了接近 1nm 的光谱分辨率。应当指出， 类似的分析可以应用于反射型 G-Fresnel 装置， 这 种装置能够折叠光路而获得更紧凑的设计。 0080 例 3小型光谱。
45、仪 0081 例 3 报告了概念证明实验研究结果， 以期证明基于 G-Fresnel 的光谱仪的可行性 说 明 书 CN 103124914 A 10 8/8 页 11 和功能。 在此例中， 我们利用PDMS软刻蚀来制备双边透射型G-Fresnel器件原型。 PDMS预聚 物混合物被倾注在菲涅耳透镜上 ( 直径 2in.(5cm) ； 在设计波长 821nm 处， 焦距为 100mm)。 经过固化后， 得到菲涅耳负透镜模具。接着， 我们将 PDMS 预聚物混合物夹在菲涅耳负透镜 模具和一个衍射光栅 (THORLABS GR25-0310， 每毫米 300 线 ) 之间。经过室温下 48 小时的。
46、 原位固化处理， 就制备得到了一个双边透射型G-Fresnel器件， 如图8(b)所示， 器件面积约 为 1in.1in.(2.54cm2.54cm)。 0082 一概念性证明的光谱仪之后被构建在光学平台上， 如图 8(a) 所示。该装置包括 有一个入口狭缝， G-Fresnel 器件 ( 见图 8(b)， 以及一个倾斜设置的 CMOS 线型图像传 感器 (HamamatsuS8378) 以适应不同波长焦点的位置。入射光经过狭缝后， 由 G-Fresnel 器件收集、 色散和聚焦， 并在图像传感器上形成光谱分布。接着， 由外围组件互连的数据 采集设备 (National Instruments。
47、， PCI-6251) 对探测信号进行数字转化， 并经 National Instruments LabVIEW 软件进行分析。为了校准光谱， 将一束多波长的氩离子激光 (Melles Griot532-GS-A01) 聚焦至该装置的入口狭缝， 并对其光谱进行测量。 0083 通过比较分别由该 G-Fresnel 型光谱仪 ( 见图 8(c) 和一台商用光谱分析仪 (ANDOAQ-6315E， 谱分辨率为0.5nm)获得的归一化光谱， 对图8(c)所示的四个峰进行定标， 可以实现像素波长关系的校准。该关系可由三次多项式函数拟合 ( 见图 8(d)。值得 注意的是， 从图8(c)中的半高全宽(F。
48、WHM)可以看出， 该光谱仪具有亚纳米量级的光谱分辨 率。 0084 之 后， 我 们 利 用 此 经 校 准 的 G-Fresnel 型 光 谱 仪 来 表 征 激 光 线 滤 光 片 (THORLABSFL488-10， CWL4882nm， FWHM102nm)以及长通滤波器(CHROMAHQ485LP)。 为此， 我们用一束白光光源 (ROI150Illuminator) 来照射滤光片。透过光被聚焦于入口狭 缝。图 9( 蓝色曲线 ) 为经该光谱仪测得的激光线滤光片与长通滤波器的归一化透射谱。 同时， 作为对比， 我们也使用商用高分辨光谱仪 (PI/Acton SpectraPro25。
49、00， 谱分辨率 ： 0.09nm) 测得滤波片透过谱 ( 红色曲线 )， 该光谱仪配备有液氮冷却的 CCD 相机。所测得的 结果互相之间符合较好， 除了由该 G-Fresnel 型光谱仪测得的点扩散函数在长波处有一缓 慢衰减的尾部 ( 见图 8(c)。该缓慢衰减的尾部导致了一些明显的误差， 如图 9 所示。这很 可能是由于该 G-Fresnel 引入了像差以及可能的制造瑕疵造成的。我们可以通过提高制造 精度和后期数据处理来减小此误差。 0085 上述引用的任何文件都通过引用纳入于此。 它们的纳入并不能说明它们对本发明 重要或是任何有关的先有技术。 说 明 书 CN 103124914 A 11 1/8 。