基于衍射元件制作誤差分析的激光寫入策略優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、衍射光學(xué)是基于光波衍射理論發(fā)展起來的一個新興光學(xué)分支。二元光學(xué)元件是最重要的成員之一，它不僅具有體積小、造價低、高衍射效率等諸多優(yōu)點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)微小集成及能夠?qū)崿F(xiàn)對波面的任意變換，具有廣闊的應(yīng)用前景。在生物醫(yī)療儀器（如外科醫(yī)療儀器中的雙聚焦透鏡）等現(xiàn)代國防和工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。
　　隨著對衍射元件性能要求的日益提高，加工工藝已經(jīng)成為制約其發(fā)展的主要因素。在眾多加工方法中，激光直寫法因其一次成型無套刻誤差而得到廣泛的研究和應(yīng)

2、用。本課題從對衍射元件制作誤差分析出發(fā)，針對激光直寫方法中存在的典型誤差，對光柵的衍射效率和菲涅爾透鏡的焦距進(jìn)行了深入的分析。這些分析結(jié)果可以用來指導(dǎo)激光寫入策略的優(yōu)化。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，針對激光直寫二元光學(xué)元件中存在的典型制作誤差，給出載有典型誤差的二元光學(xué)元件的物理模型與數(shù)學(xué)描述。對于光柵型衍射光學(xué)元件，本文分析的典型誤差模型包括位相深度誤差、寬度誤差和斜坡誤差；對于圓對稱型衍射光學(xué)元件-菲涅爾透鏡，提出了斜

3、面近似環(huán)帶曲面時所產(chǎn)生的軸上彌散焦距模型。本項(xiàng)研究工作為本課題其它工作的基礎(chǔ)；
　　其次，針對激光直寫二元光學(xué)元件尺寸的特殊性，以4臺階衍射光柵和衍射透鏡為例，開展標(biāo)量和矢量方法分析衍射效率的理論研究。分析結(jié)果表明，標(biāo)量分析與矢量分析有眾多不同點(diǎn)。對于亞微米衍射光學(xué)元件，矢量分析有不可替代的作用；
　　再次，針對激光直寫光柵型二元光學(xué)元件存在的典型誤差，開展對載有典型誤差信息的4臺階衍射光柵的衍射效率理論研究，揭示典型誤差對

4、元件性能的影響程度，進(jìn)而給出激光直寫策略優(yōu)化方案。分析結(jié)果表明：對于10％的等大位相深度誤差將產(chǎn)生2.5%的衍射效率下降；對于最差的10%等寬度誤差分布產(chǎn)生2%的衍射效率下降；對于斜坡誤差，在一定的斜坡誤差范圍內(nèi)反而會增大衍射效率。進(jìn)一步地，針對實(shí)際制作情況，本文對于深度誤差和寬度誤差，還給出了單個臺階的位相深度誤差和寬度對衍射效率的影響。本文的分析對衍射光學(xué)元件激光直寫制作技術(shù)給出優(yōu)化性指導(dǎo)；
　　最后，針對圓對稱型衍射光學(xué)元件

5、-菲涅爾透鏡中存在的斜面近似曲面而產(chǎn)生的彌散斑，開展了載有該種誤差的菲涅爾透鏡對焦距影響的理論分析，揭示了不同的參數(shù)對焦距的影響程度，并提出多斜面近似的直寫方案。分析結(jié)果表明：相同條件下，大的位相深度因子產(chǎn)生的彌散焦距越大；環(huán)帶數(shù)越多即環(huán)帶寬度越小產(chǎn)生的彌散焦距越小；相同的位相深度因子下，特定的焦距大小產(chǎn)生相對最小的彌散焦距。進(jìn)一步地，根據(jù)物理模型，使用多斜面近似可以很大程度上減小彌散焦距。這對對焦距有高要求的菲涅爾透鏡的激光直寫制作方