衍射光学器件的激光辅助制造

衍射光学器件DOE是基于衍射光学原理制成的微光学器件.采用类似于微电子加工手段的激光辅助制造技术--激光直写技术,可以制作具有高衍射效率的DOE.激光直写系统的性能,比如光强控制、坐标定位以及自动对焦等,直接影响制成器件的衍射效率.最后对曲面衍射光学器件激光辅助制造的关键技术进行了分析.     

衍射光学器件的激光辅助制造

衍射光学器件DOE是基于衍射光学原理制成的微光学器件.采用类似于微电子加工手段的激光辅助制造技术--激光直写技术,可以制作具有高衍射效率的DOE.激光直写系统的性能,比如光强控制、坐标定位以及自动对焦等,直接影响制成器件的衍射效率.最后对曲面衍射光学器件激光辅助制造的关键技术进行了分析.     

履带式运动柔性衍射光学器件抑制激光散斑及其耐久性实验

为了有效抑制激光散斑,真正实现激光显示和成像系统的大色域、高亮度和超优画质,提出了基于履带式运动柔性衍射光学器件（Diffractive Optical Elements, DOE）的散斑抑制方法,对柔性衍射光学器件的设计、制造、耐久性和散斑抑制效果进行了研究。首先设计了柔性衍射光学器件的光学结构,并描述了履带式运动柔性衍射光学器件形成动态二维衍射编码的机理;接下来介绍了柔性衍射光学器件的模板制备、热压成型、连接成环的工艺方法;之后搭建激光投影显示系统对所研制的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride, PVC）和聚丙烯（Polypropylene, PP）两种材料的柔性衍射光学器件的散斑对比度和耐久性进行实验研究。实验结果表明,提出的基于履带式运动柔性衍射光学器件的激光散斑抑制方法,可将红绿蓝三色激光的散斑对比度降低到5%以下,同时系统具有小型化、低功耗的优点。在长达三十天的耐久性实验中,聚氯乙烯和聚丙烯两种材料的柔性衍射光学器件都没有明显形变和散斑抑制效果的衰减,且PP材料柔性DOE比PVC材料柔性DOE散斑抑制效果更明显、耐久性也更好。满足大色域、高亮度、超优画质的要求,并...     

激光直写氧化石墨烯可调光子筛

光子筛不受衍射极限限制且设计结构灵活，是一种新型衍射元件。相比于振幅型光子筛，相位型光子筛能量透过率更高，成像对比度更加尖锐，具有应用优势。然而，常见衍射光学器件面临加工复杂及难以调制等局限。石墨烯及其衍生材料具有良好的光电调制特性，被广泛用于衍射光学器件制备。利用激光直写技术可实现诱导还原氧化石墨烯，是一种简单高效的微纳加工技术。利用时域有限差分方法研究光子筛的衍射特性，并基于激光直写技术制备氧化石墨烯光子筛。通过不同激光功率加工可获得材料的折射率调制，器件实现了明显的焦距调制(1.62 mm)和聚焦效率的提高(13.6%)。该方法有望为实现可调制衍射光学元件提供简便、灵活的设计与制备手段。     

激光直写系统焦斑整形的研究

针对激光直写光刻系统设计整形衍射光学元件(DOE),对写入焦斑的整形进行了研究。提出对不同焦距写入物镜下的焦斑,利用同一个DOE加以整形的方法。模拟表明:整形后焦斑的面形和边缘显著改善,衍射效率高于实用指标,提供一种改善系统分辨能力的有效途径。     

投影光刻离轴照明用衍射光学元件设计

离轴照明（OAI：Off-axis Illumination）作为一种重要的分辨率增强技术（RET：Resolution Enhancement Technology）被广泛的应用于投影光刻系统。使用衍射光学元件（DOE：Diffractive Optical Element）作为光刻照明系统的光束整形器件,能够在保持较高照明效率的基础上精确控制离轴照明光束的形状及光强分布。本文利用基于傅立叶变换的分步迭代方法进行了该类DOE的优化设计。DOE采用了多台阶位相结构,设计所得8台阶DOE设计结果分别实现了偶极、四极、环形及Bulls-Eye等照明方式,其照明效率都达到了80%以上,与目标光强分布的均方根偏差均小于7％。     

用于无模光刻的连续浮雕谐衍射透镜阵列设计

为了获得实时调焦写入以及高的系统分辨力和衍射效率,提出了一种基于连续浮雕谐衍射透镜阵列的无模光刻方法。该方法采用连续浮雕谐衍射透镜阵列作为无模光刻的物镜阵列,在兼顾系统分辨力和衍射效率基础上,由同一衍射透镜阵列实现聚焦写入和检焦;同时利用谐衍射透镜的深浮雕特性调制透镜的环带宽度,降低透镜的制作难度。在分析谐衍射透镜特点以及考虑激光直写制作工艺对连续深浮雕衍射聚焦特性影响的基础上,设计、制作并测试了设计波长为441.6nm,F数为7.5的连续浮雕谐衍射透镜阵列。测试结果表明,该阵列同时具有聚焦写入和检焦功能,且对写入激光和检焦激光的衍射效率均优于70%,有望改善无模光刻的制作质量。     

衍射光学元件制作技术及未来展望

回顾了衍射光学元件(DOE)制作技术的发展过程,介绍了未来制作技术的发展以及元件演变的未来趋势。     

衍射光学元件在光学系统中的应用

本文以实例介绍了衍射光学元件（DOE‘S）的夜视系统如目镜和物镜中的应用，给出了详细设计数据以及设计简图。概述了光盘光学头用的双焦点衍射透镜。     

用二元光学方法制作高效率多光束二维分光元件

在70年代末和80年代初就有人提出了应用于多重成像的多光束分光技术，H.Dammann等人提出将多光束分光技术应用于集成电路掩模板的制造，近年来人们又开发了应用于光盘存储技术和光通讯领域的多光束分光技术。随着光计算研究的深入，在一些光学逻辑和光学运算系统中，以及光学数据总线系统中常常要实现多光束分光或要求得到一强度均匀的点阵与逻辑单元相匹配，这就大大地开阔了多光束分光元件的应用范围。常规的分光元件的制作方法有光学全息法，计算全息图的延拓法，波导型透镜阵列，位相光栅等等。由于全息法产生的点阵衍射效率低（即使对平板进行漂白处理也只能达到30％），再现点阵为离轴成象，信噪比差；用计算全息延拓法制造的分光器件可以得到象质很好的点阵分光元件，但是衍射效率只有10％左右，无法满足实用的要求。波导型透镜阵列存在点阵尺寸或间距不可调，使用不灵活，信噪比差。位相光栅的衍效也较低，仅在40％左右。而且存在着点阵强度的均匀性与衍效之间的矛盾。为了解决这一矛盾，我们采用组合位相光栅技术，实现在一定级次内的光强均匀性，又大大地提高了衍射效率。本文主要介绍用二元光学的方法制作二维分光元件的工艺技术。     

Silicon diffractive optical elements for high-power monochromatic terahertz radiation

This paper presents a fabrication technique and results of studies of silicon binary diffractive optical elements (DOEs): a diffractive lens and a 1 : 2 diffractive beam splitter with an aperture diameter of 30 mm for the terahertz spectral range. The elements were fabricated in two versions: with and without an antireflection coating of parylene C. The DOE characteristics were investigated in the beam of the Novosibirsk free electron laser at a wavelength of 141 μm. The results are given of a study of the radiation resistance of the coating, which remained intact upon exposure to an average radiation power density of 4 kW/cm²; the peak power in a 100 ps pulse was almost 8 MW/cm². Experimental estimates of the diffraction efficiency of the elements coated with the antireflection coating are in good agreement with theoretical estimates.     

Optical design and manufacturing technology for high resolution laser scanning unit

This paper presents optics and fabrication process of key elements in a laser scanning unit for high quality laser beam printers or multi-function printers with over 600dpi optical resolution which today’s commercial system shows. Considering the light sources with different wavelength, optical characteristics in the laser scanning unit which includes a scanning lens and an athermalization element are explained. Also fabrication technologies to realize high resolution laser system such as mold design, core machining and injection molding processes are described. Finally, the hybrid lens as the athermalization element having refractive and diffractive surface is suggested to compensate thermal defocus. The hybrid lens is fabricated and their performance and effect on laser scanning unit are evaluated.     

Laser illuminator based on diffraction elements for training systems

The use of a diffractive optical element (DOE) in the optical scheme of a laser illuminator of a shooting simulator exposing the target is studied. It is proposed to use the DOE in the optical projection system to form a laser beam with a special intensity profile. The use of the DOE with binary amplitude transmission allows simplification of the manufacture of this block with simultaneous improvement of its performance. The DOE is used as a diffraction attenuator of laser radiation with a period of 2.5 µm and a minimum bandwidth of about 0.8 µm. Results of an experimental study of the laser radiation distribution generated using the DOE and its comparison with distribution of radiation obtained in the usual way are presented.     

利用衍射光学元件增加出射光束的焦深

在入射光束的孔径受限制的情况下,利用衍射光学元件来增加激光束的焦深。首先确定光阑孔径的大小、然后利用Y-G算法,在已知入射和出射光波函数的条件下,计算出衍射光学元件的位相分布。计算结果表明焦深可以比未用衍射光学元件时增加一半或更多。     

紫外成像器件中衍射微透镜阵列设计与研制

为了提高紫外成像器件的填充因子,解决凝视型高性能紫外成像器件的核心技术问题,根据标量衍射理论设计了用于128×128日盲型紫外成像器件的微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为86%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列的整体性能满足了微透镜阵列与紫外成像阵列的单片集成要求。     

Binary Laser Direct Writing System and Its Applications

A new laser direct writing system is introduced and the potential application of the diffractive optical elements (DOE‘ s) fabricated by applying laser direct writing system are presented. The fabrication techniques by applying the laser direct writing are developed. Experimental results have been obtained by applying laser direct writing machine with line width of 5μm and 10μm.     

薄膜沉积多级衍射光学元件的微型制作与误差标定的研究

应用光刻和薄膜沉积技术,制作了多级衍射光学元件。对制作误差和影响误差的因素进行了分析。给出了改善对准误差的标校方法,并在实际的多级衍射光学元件制作过程中得到验证。     

Dynamic correction of the laser beam coordinate in fabrication of large-sized diffractive elements for testing aspherical mirrors

This paper presents a method of improving the accuracy of a circular laser system in fabrication of large-diameter diffractive optical elements by means of a polar coordinate system and the results of their use. An algorithm for correcting positioning errors of a circular laser writing system developed at the Institute of Automation and Electrometry, SB RAS, is proposed and tested. Highprecision synthesized holograms fabricated by this method and the results of using these elements for testing the 6.5 m diameter aspheric mirror of the James Webb space telescope (JWST) are described..