第五章计算全息精要.ppt

制作高性能的二元光学器件,通常要进行多次这样的刻蚀过程,即套刻.每次光刻掩模的几何图形都不同,N=2的四台阶元件工艺流程第一步与图6.9.4相同,第二步如图6.9.5所示。经过两次套刻以后,得到相位深度为0,π/2,π,3π/2的浮雕结构,其空间分布由两块掩膜决定.经过多次刻蚀,得到锐而细的相位浮雕结构,即二元光学器件. 16相位级CdTe微透镜阵列电子扫描显微图 亚微米级“蛾眼”光栅微结构显微图 激光束直写微透镜阵列的电子扫描显微镜（SEM）图像 微透镜表面分布图 二元光学不仅在改变常规光学元件，变革传统光学技术上具有创新意义，而且能够实现传统光学许多难以达到的目的和功能，因而被誉为九十年代的光学。二元光学元件除了具有体积小、重量轻、容易复制等明显优点外，还具有以下独特的功能和特点： 五、二元光学元件的特性 1.高衍射效率 二元光学元件是一种纯相位衍射光学元件,为得到高的衍射效率,可做成多相位阶数的浮雕结构。一般使用N块模版可得到L =2N个阶数，其衍射效率为:?=|sin(π/L)/(π/L)|2. 当L =2,4,6,8和16时,由此计算得:? =40.5%,81%,94.9%和98.6%. 2.独特的色散性能 在一般情况下,二元光学元件多在单色光下使用,但正因为它是一个色散元件,具有不同于常规元件的色散特性,故可在折射光学系统中同时校正球差和色差,构成混合光学系统,以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能,再利用表面上的浮雕相位波带结构校正像差. 3、更多的设计自由度 在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过改变曲面的曲率或使用不同的光学材料校正像差,而在二元光学元件中,则可通过槽宽与槽深及槽形结构的改变产生任意波面,大大增加了设计变量,从而能设计出许多全新功能光学元件,这是对光学设计的一次新的变革. 二元光学元件是将二元浮雕面形转移至玻璃、电介质或金属基底上,可用材料范围大;此外,在光学材料的选取中,一些红外材料如ZnSe和Si等,由于它们有一些不理想的光学特性,故经常被限制使用,而二元光学技术则可利用它们并在相当宽广的波段做到消色差;另外,在远紫外应用中,可使有用的光学成像波段展宽1000倍. 4.宽广的材料可选性 二元光学元件可产生一般光学元件所不能实现的光学波面,如非球面、环状面、锥面等,并可集成得到多功能元件:使用亚波长结构还可以得到宽带、大视场、消反射和偏振等特性;此外,二元光学在促进小型化、阵列化、集成化方面更是不言而喻了。 5.特殊的光学功能 * * * * * 输入 输出 如果限幅器的输入为 偏置函数 其中 分别是物光波的振幅和相位函数 其输入输出波形如下图所示.这时输出脉冲宽度受到q(x,y),即A(x,y)的调制,输出脉冲的位置受到 的调制. 输入 输出 输出的二元函数的一般形式是 当用单位振幅的平面波垂直照射全息图时，透过光波就是上式二元全息函数。我们只对m =1或m = -1感兴趣，取m = -1,于是有 如果限幅器的输入为 则透射光波+1级 衍射项将再现原来的物光波。 上式表明，透射光波的-1级衍射项完全再现了物光波 其中线性相位项 作为载波给出了再现物光波的传播方向 二元全息干涉图的制作 二元全息函数的取值为0或1。为了利用计算机控制绘图仪制作全息干涉图，只需要确定二元全息函数h(x,y)由0 1 或由1 0的边界点的坐标位置。这样，满足方程 的点就构成了二元全息干涉图的划线边界，也即是 其中“-”表示h(x,y)由0-1的前沿点,”+”表示由1-0的后沿点 的条纹，其坐标应满足方程 上面两个方程确定了计算全息干涉图上条纹的位置和形状。求解基本方程并确定划线边界后，就可以用计算机控制绘图设备画出干涉图。 当要再现的物波函数只有相位变化，即A(x,y)等于常数时，基本方程可以简化为如下形式,设q=0 此时，可以用细线条绘制全息图，所以计算全息干涉特别适合于再现纯相位的物波。 载波频率的选择 是载波的空间频率，其选择与光学记录的全息图相同，要避免在空间域第一级衍射波和二级以上的衍射波相互重叠，载波频率 是物光波局部空间最高频率 实际中，取 例：说明绘制一个球面波的二元全息干涉图的制作方法 （1）由方程 求局部空间频率 由上式可知，其最大局部空间频率位于波面边沿，设球面波直径为D，则 取 因此二元干涉条纹的平均周期和条纹数为 设 条纹总数N=1264 将T和 代入方程 可得每一条纹的空间位置。并控制绘图仪画出计算全息干涉图。由于干涉条纹很密，通常是先按一定的比例放大绘图，然后再用光学缩版方法得到可用的全息图。 说明：球面波在光学中可以用透镜很方便地产生，而另一些复杂的波面，如螺旋形波面、非球面等，用光学技术是难以得到的。由