專利名稱：：消除零級衍射譜點的等光強分束光柵的制作方法
技術領域：
：消除零級衍射譜點的等光強分束光柵
技術領域：
本專利涉及衍射光學元器件，特別是一種消除零級衍射譜點的等光強分束光柵，即消零級達曼光柵，它能實現(xiàn)將單一平面入射的單色光波在遠場分成若干等光強分布，并在無制造誤差的情況下，完全消除零級衍射譜點。
背景技術：
：在光纖通信、光計算、圖像處理和光盤存儲等眾多
技術領域：
中，經(jīng)常要求將單一信號的輸入轉(zhuǎn)變成多信號的輸出，光學分束器件可以實現(xiàn)上述要求。實現(xiàn)光學分束器的方法很多，基于夫瑯和費衍射原理設計的達曼光柵(H.DammannandK.Gortler,"High-efficiencyin-linemultipleimaginingbymultiplephaseholograms,"Opt.Commun.3,312-3151971)因效率高，光束分布均勻性不受入射光強分布影響等優(yōu)點成為目前最有效的分束器件之一。對于達曼光柵，零級衍射級次光強的計算公式與其它衍射級次的計算公式形式完全不同，這造成出現(xiàn)位相誤差時，零級衍射光斑相對理論值的變化也與其它衍射級次的情況不同。對于偶數(shù)點達曼光柵，周常河通過計算機模擬指出，在不考慮零級衍射譜的情況下，其它衍射譜的均勻性不受位相誤差的影響，零級衍射光強僅由位相誤差決定(C.Zhouetc."NumericalstudyofDammannarrayilluminators",Appl.Opt.34,5961-5969,1995)，這一點同樣適用于消零級達曼光柵。1992年RickL.Morrison提出運用對稱的方法減小光柵參數(shù)優(yōu)化的計算難度(R.L.Morrison,"Symmetriesthatsimplifythedesignofspot-arrayphasegratings,"J.Opt.Soc.Am.A9，464-471,1992)，并提到了周期內(nèi)位相突變點鏡向?qū)ΨQ，前后半周期位相相差;r的結構，但Morrison并未進一歩指出這種結構可以在無制造誤差的情況下消除零級衍射譜，也未給出其數(shù)值解。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題在于提供一種消除零級衍射譜點的等光強分束光柵，該光柵在無制造誤差的情況下完全消除零級衍射譜，在遠場得到對應為1X2，1X4，1X6……的無中心零級衍射光強的等光強光斑陣列分布的多光束。本實用新型的技術解決方案如下一種消除零級衍射譜點的等光強分束光柵，其特點是該光柵的結構是一微型結構周期性重復的消零級達曼光柵，在光柵的每一個周期內(nèi)，位相突變點關于該周期的中垂線鏡像對稱，后半周期的兩相鄰位相突變點之間的位相值相對于前半周期對應的位相突變點之間的位相值漂移/T，各高級衍射光光強相等，即l^二Ii」二……二lB，其中N為大于l的正整數(shù)，該光柵的分束比為2N，該光柵的參數(shù)采用快速下降算法并應用計算機編程優(yōu)化算出相位突變點的個數(shù)K、第k-1到第k個位相點間的位相值Gk和第k個位相突變點歸一化坐標值Xk，其中k為1、2、……K。所述的位相突變點之間的位相是多值的，所述的光柵的參數(shù)采用快速下降算法通過下列公式并應用計算機編程優(yōu)化算出<1人'《^("X—Xj^^cosCa^—a^q—Asin^H/JJa^q)—cos(q—》)cos(《》、肌a=it=i式中式中《4=2;rnxA.，n為衍射級次，K為相位突變點的個數(shù)，^為第k個位相突變點，l為第k-l到第k個位相點間的位相值，光強分布為I(n)=A(n)A*(n)。所述的位相突變點之間的位相是O，；r相間的，所述的光柵的參數(shù)采用快速下降算法通過下列公式并應用計算機編程優(yōu)化算出'乖=0',=(丄)x(t(—If(C—)—cos("w))式中"「2;r^，n為衍射級次，K為相位突變點的個數(shù)，Xk為第k個位相突變點，9k為第k-l到第k個位相點間的位相值，光強分布為I(n)=A(n)A*(n)。所述的消除零級的等光強分束光柵的制造方法，包括下列步驟①根據(jù)分束光斑數(shù)目二2N，選定需要制作的消零級達曼光柵的分束比為2N，只能取偶數(shù)；②采用快速下降算法和應用計算機編程優(yōu)化算出二值位相消零級達曼光柵的相位突變點的個數(shù)K、第k-l到第k個位相點間的位相值ek和第k個位相突4變點歸一化坐標值Xk;③根據(jù)對光柵最小衍射角、制造精度等要求選取光柵周期長度，并根據(jù)相應位相突變點的歸一化坐標值Xk計算出實際位相板每一周期內(nèi)的位相突變點的坐標值；利用電子束直寫法制作母版；⑤通過接觸式光刻法，將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠和鉻膜的光學玻璃上；⑥利用濕法刻蝕技術，將圖案刻蝕到鉻層，最后刻蝕到光學玻璃上。本實用新型的技術效果是本實用新型消除零級的等光強分束光柵，無論位相為0、；r二值或多值時，都可實現(xiàn)中心對稱高級譜點強度相等的偶數(shù)點陣列分束輸出，且衍射譜的均勻性不受位相誤差的影響。圖1本實用新型實施例1結構的示意圖。圖2本實用新型實施例2結構的示意圖。圖3消零級達曼光柵的分束實驗演示裝置示意圖。圖4為本實用新型1X8消零級達曼光柵遠場衍射的示意圖。具體實施方式以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。先參閱圖1，圖1本實用新型實施例1結構的示意圖，是二值位相消零級達曼光柵的單周期的歸一化的位相結構，它以中點(x=0.5，圖中用虛線標明)為對稱軸，后半周期位相突變點和前半周期位相突變點鏡像對稱，位相突變點的位相差為;r。圖中示出一個周期內(nèi)有十一個位相突變點(包括零點和終點)，位相0，；r相間的二值位相達曼光柵結構。前半周期內(nèi)各位相的邊界，即各位相突變點的歸一化坐標用X,，X2，X,，X4表示，后半周期內(nèi)位相突變點的歸--化坐標為l-x.,，1-x3，l-x2，l-Xl，各位相突變點之間的位相0，；r相間分布。最常用和易于加工的是該二值位相板。圖2是本實用新型實施例2結構的示意圖。該實施例2是一多值位相消零級達曼光柵，一個單位周期內(nèi)有七個位相突變點，六個位相的達曼光柵結構的示意圖。前半周期內(nèi)各位相的邊界即歸一化位相突變點坐標為O，Xl，x2，o.5，各位相值用e,，e2，e:i表示，后半周期內(nèi)位相突變點為o.5，l-x"l-x,，1，相應的位相分別為"+9""+92，；r+9,.圖中的虛線表示中心對稱軸。這是一種為了獲得更高的衍射效率，各位相突變點間的位相也可在[O，2"]間取值，稱為多值位相消零級達曼光柵。各周期內(nèi)位相突變點的數(shù)目可根據(jù)實際需要，在優(yōu)化求解過程中人為設定。消零級達曼光柵的描述參數(shù)有1、消零級達曼光柵的分束比2N:準直的相干光通過該消零級達曼光柵所產(chǎn)生的等光強衍射光斑的數(shù)目為2N。2、對于消零級達曼光柵，衍射效率定義為"2^/,(1)其中N是光強相等的衍射級的數(shù)目，Ii是均勻光強衍射級第i級的光強峰值，因為入射光能的強度已經(jīng)歸一化為1，所以上式衍射效率定義為各均勻衍射級次內(nèi)的光能總和占入射光能的比值。計算衍射效率時本應分別計算正負衍射級次的光強，但是由于消零級達曼光柵采用了位相突變點關于每個周期的中點的中垂線鏡像對稱的特殊結構，使得正負衍射級次光強相等，故可用正衍射級光強代表負衍射級光強。3、特征尺度△=min|;^+l-xj(2)其中Xk為半周期內(nèi)的位相突變點坐標，k為其下標。4、均勻度I腿-I隨(3)式中I,和I,分別表示所需衍射級次中光強的最大值和最小值。由衍射光學的結論可知，給定消零級位相板，其遠場衍射光場振幅分布為一,=0<|1人'人..=(一X^"^"——!,,!^*/^^—"*)-—*^—"))00^.))(4)若取位相為二值0、；r，則遠場衍射場振幅可寫為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)禾B(5)式中《A=2;r^，n為衍射級次，K為相位突變點的個數(shù)，&為第k個位相突變點，ek為第k-1到第k個位相點間的位相值，光強分布為I(n)=A(n)A*(n)。在實際二值位相消零級達曼光柵的制作過程中，若因為刻蝕深度的誤差而造成位相變?yōu)閑，則其零級衍射光強和其它各級衍射光強變?yōu)?lt;formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>公式(6)描述了位相e與零級光強/(o)之間的關系，對于消零級達曼光柵，在實際制作過程中，可通過不同的刻蝕深度，即不同的位相來控制零點的光強。當位相為;r時，零級譜消失，公式(7)和公式(5)等價；當e滿足1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>時，I(0)=I(n)，即可實現(xiàn)1X3，1X5，1X7等的陣列照明。例如，對分束比為1X6的消零級達曼光柵，當e=(1±0.20159);r時，零級衍射光強與土l,±2,±3級衍射級次光強相等，即1X6的消零級達曼光柵在相位為(1±0.20159);r時實現(xiàn)了1X7的陣列照明，此時的衍射效率為0.6787，均勻度為8.9X1(T5。公式(7)描述了除零級外其它各衍射級次的光強，從該公式可知，第n級衍射光光強與第n+1級的光強比值與e無關。當刻蝕深度變化，即e改變時，零級以外的其它各衍射級次的光強雖然改變，但是它們之間的比值不變，即位相誤差僅影響衍射效率，不改變均勻度。當各位相突變點的值按優(yōu)化結果設定時，分束比內(nèi)的各高級衍射級次相等，即l(n)/I(n+l)4。由此知，在實際制作過程中，各相等的高級衍射譜的光強對不同的刻蝕深度產(chǎn)生相同的變化。本實用新型給出了分束比從1X4到1X14的各二值和多值位相消零級達曼光柵實施例的優(yōu)化參數(shù)。計算中采用的優(yōu)化指標為均勻度小于10—4，特征尺寸大于0.0002。采用公式(5)和快速下降算法搜索出了分束比從1X4到1X14的二值位相消零級達曼光柵，其優(yōu)化數(shù)值結果如表1所示。為了獲取更高的衍射效率，我們應用公式(4)搜索出了分束比從1X4到1X14的多值位相消零級達曼光柵的位相板的突變點最佳歸一化坐標值及相鄰突變點之間的位相值，結果如表2所示。表1和表2是從均勻度小于10—4，特征尺寸大于0.0002的至少50個設計參數(shù)中選取的衍射效率最大的光柵實施例的設計參數(shù)。需要注意的是，為了節(jié)省空間，表1和表2中僅列出了前半周期的歸一化位相突變點和位相，后半周期的歸一化位相突變點通過前半周期各突變點的倒序排列取負加一得到，對于多值位相達曼光柵，位相部分是前半周期實際位相除以;r后的結果，后半周期的位相是將前半周期的位相逆向排序加;r得到。本實用新型的消零級達曼光柵的分束實驗演示裝置示意圖如圖3所示，單色平面波1垂直入射到消零級達曼光柵2，經(jīng)傅立葉變換透鏡3在透鏡的焦平面4上產(chǎn)生達曼光柵2的夫瑯和費衍射圖樣，即無零級的多級衍射光強度相等的光斑(圖中僅標注了±1和±2級)。圖4顯示了本實用新型1X8消除零級衍射譜點的等光強分束光柵分束比為8的透鏡的焦平面上遠場衍射的示意圖。本實用新型采用中心對稱，冗位相反轉(zhuǎn)結構，自動消除了中心零級光譜，因此，本實用新型既可以在位相為冗的情況下實現(xiàn)無中心零級譜點的1X2，1X4，1X6……結果，也可以在位相為某些特定值的情況下實現(xiàn)1X3，1X5，1X7等的陣列照明。由于陣列照明是一個基本的光學功能，有廣泛的用途，因此，本實用新型具有重要的應用前景。表1本實用新型消除零級衍射譜點的等光強分束光柵二值位相實施例的<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2本實用新型消除零級衍射譜點的等光強分束光柵多值位相消零級達曼光柵實施例的參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權利要求1、一種消除零級衍射譜點的等光強分束光柵，其特征在于該光柵的結構是一微型結構的周期性重復的消零級達曼光柵，在光柵的每一個周期內(nèi)，位相突變點關于該周期的中垂線鏡像對稱，后半周期的兩相鄰位相突變點之間的位相值相對于前半周期對應的位相突變點之間的位相值漂移π，各高級衍射光光強相等，即I±1＝I±2＝……＝I±\，其中N為大于1的正整數(shù)，該光柵的分束比為2N，該光柵的參數(shù)采用快速下降算法并應用計算機編程優(yōu)化算出相位突變點的個數(shù)K、第k-1到第k個位相點間的位相值θk、和第k個位相突變點歸一化坐標值xk，其中k為1、2、……、K。2、根據(jù)權利要求l所述的消除零級的等光強分束光柵，其特征在于所述的位相突變點之間的位相是多值的，所述的光柵的參數(shù)采用快速下降算法通過下列公式并應用計算機編程優(yōu)化算出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中式中《t=2;TMXA，n為衍射級次，K為相位突變點的個數(shù)，Xk為第k個位相突變點，e,為第k-l到第k個位相點間的位相值，光強分布為I(n)=A(n)A*(n)。3、根據(jù)權利要求l所述的消除零級的等光強分束光柵，其特征在于所述的位相突變點之間的位相是O，；r相間的，所述的光柵的參數(shù)采用快速下降算法通過下列公式并應用計算機編程優(yōu)化算出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中％=2;r"x4，n為衍射級次，K為相位突變點的個數(shù)，Xk為第k個位相突變點，e,為第k-1到第k個位相點間的位相值，光強分布為I(n)=A(n)A*(n)。專利摘要一種消除零級衍射譜點的等光強分束光柵，該光柵的結構是一微型結構的周期性重復的消零級達曼光柵，在光柵的每一個周期內(nèi)，位相突變點關于該周期的中垂線鏡像對稱，后半周期的兩相鄰位相突變點之間的位相值相對于前半周期對應的位相突變點之間的位相值漂移π，各高級衍射光光強相等，即I_±1＝I_±2＝……＝I_±\，其中N為大于1的正整數(shù)，該光柵的分束比為2N，該光柵的參數(shù)采用快速下降算法并應用計算機編程優(yōu)化算出相位突變點的個數(shù)K、第k-1到第k個位相點間的位相值θ_k、和第k個位相突變點歸一化坐標值x_k，其中k為1、2、……、K。本實用新型光柵在遠場得到1×2，1×4，1×6……的無零級衍射的等光強陣列分布的多光束輸出。文檔編號G02B27/00GK201107422SQ20072019865公開日2008年8月27日申請日期2007年11月30日優(yōu)先權日2007年11月30日發(fā)明者周常河,畢群玉申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所