微纳加工 | 衍射光学元件介绍

衍射光学元件(DiffractiveOpticalElement,DOE)是一种特殊的光学元器件,可以使光线以精确的角度θm偏转到m级,并用下列公式表示:

 

一条与光栅法线成θi角的光线入射在光栅上,将衍射成一个或多个出射角为θdm的光线,θdm是周期Λ的函数。其中,ni是入射介质的折射率;nd是出射介质的折射率;m是衍射级,对于大部分应用,m=1。图1.1还给出了其他不同的衍射级,但没有标出其衍射效率。对于透镜,除了希望使用的衍射级外(通常为m=+1级),令其他衍射级的效率减至最小。

图1.1出射角是光栅周期、折射率和衍射级的函数(图中给出了某些透射级和反射级)

 

周期是利用光刻技术进行横向控制的参数,可以在技术要求中规定到纳米级。对于小像差透镜,这种对周期横向位置的特殊控制会使DOE成为较理想的零件。例如,透镜的一般应用是将光会聚成一个光斑,可以设计和制造出能够达到衍射受限光斑尺寸的衍射透镜。图1.2所示为一个8阶聚焦透镜,能够将一束每隔2π相位入射的平行光的相前会聚在一起,以保证DOE衍射的光线全部都聚焦到DOE上方、距离为F的中心点上。利用光线追迹程序很容易确定使平行光束聚焦所需要的相前。每一个2π离散相前的位置和距离对应着DOE上各点位置的周期。将这些数值输入到CAD程序中,转换成一系列DOE制造过程中所使用的光刻模板。该工艺比较复杂,但容易理解,所采用的技术也较成熟。

图1.2一个8阶聚焦透镜(每相隔2π相位的准直光束的相前会聚,以保证DOE衍射的所有光束都入射到DOE上方、距离为F的中心点上)

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