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1、2024/3/10,現代光學前沿新興分支學科 ——二元光學技術與應用,徐 平深圳大學光電子技術工程系E-mail: xuping@szu.edu.cnTel.6557246,2024/3/10,主要內容：,1.二元光學概述（含義發(fā)展背景,國內 外發(fā)展狀況,特點） 2. 二元光學元件的設計方法3. 二元光學元件的制作方法4. 二元光學元件的應用（重點介紹）5．深蝕刻二元光學元件6. 結束語,2024/3

2、/10,1.二元光學概述,傳統(tǒng)光學基于光波的折射和反射原理，利用透鏡、反射鏡和棱鏡等元件進行設計和實現各種光學功能。衍射效應總是導致光學系統(tǒng)的分辨率受到限制，除了光波的色散性質可應用于光譜學之外，傳統(tǒng)光學總是盡量的避免衍射效應造成的不利影響。,2024/3/10,1.二元光學概述,六十年代，隨著計算機制全息圖以及相息圖的發(fā)明和成功的制作，引起了觀念上的重大變革。 人們認識到應用這些新型的衍射光學元件，可方便靈活

3、的控制光路以實現多種光學功能，開辟光學系統(tǒng)設計的新天地。,2024/3/10,1.二元光學概述,七十年代，在可見光和近紅外光波段內制作具有高衍效的超精細結構元件仍面臨困難，因而限制了這些元件的應用范圍。 與此同時，微電子工業(yè)在制作技術方面也經歷了一場革命，光學和電子束制版以及干刻蝕技術逐漸發(fā)展成熟，已成為制作精細結構元件的完善工具。,2024/3/10,1.二元光學概述,八十年代，各種新型的加工制作方法不斷涌現，

4、能夠制作高質量和多功能的衍射光學元件。 隨著元件尺寸的縮小，其精細結構周期可與波長相比較時， 傳統(tǒng)的衍射標量理論不再適用，促使了衍射矢量理論的發(fā)展，極大地推動了衍射光學的發(fā)展。,2024/3/10,1.二元光學概述,近年來， 更高級的設備 先進的制作技術 正確有效的理論模型 設計衍射光學元件的各種方法 由此一門新興

5、的光學分支——衍射光學應運而生，并已成為二十一世紀光學中的前沿研究領域之一。,2024/3/10,1.二元光學概述,1984年，在美國國防部及空軍的支持下，啟動了一個名叫“二元光學” (binary optics) 的項目，極大地推動了衍射光學的發(fā)展。 此后，衍射光學的研究日益活躍。,2024/3/10,1.二元光學概述,從1990年起，美國光學學會年會和國際光學工程協(xié)會設有衍射光學與二元光學專題講座和衍射光學專題

6、會議；美國和歐洲的重要光學雜志分別出版衍射光學專集。 作為一個新學科領域已經形成,2024/3/10,1.二元光學概述,1992年5月美國商業(yè)性雜志“ Photonics”刊登一篇專題文章：“衍射光學大量產生新一代的產品和擁有數百萬美元的市場” 表明：衍射光學產業(yè)正在形成,2024/3/10,1.二元光學概述,二元光學：是衍射光學的主要分支學科，是研究微米、亞微米級特征尺寸光學元件的設計、

7、微細加工技術及利用該元件以實現光束的發(fā)射、聚焦、傳輸、成象、分光、圖象處理、光計算等一系列功能的理論和技術的學科，是光學與微電子、微計算機相互融合、滲透而形成的前沿交叉學科。,2024/3/10,1.二元光學概述,二元光學技術 是利用計算全息方法與大規(guī)模集成電路技術和微細加工技術相結合，從而在任意片基材料上制作出位相深度為 的多臺階微浮雕結構的衍射微光學元件， 是一門新興

8、的前沿交叉綜合學科和高技術。,2024/3/10,1.二元光學概述,二元光學元件特點 以光的衍射為基本原理，具有微型化、輕型化、可復制、價格低、可設計產生任意形狀的波前、 可把多種功能集中于一個器件上等其他器件不可比擬的特點。 發(fā)展迅猛，成為二十一世紀的前沿學科。,2024/3/10,2. 二元光學元件的設計方法,二元光學元件示意圖,2024/3/10,2. 二元光學元件的設計方法,2024/

9、3/10,2. 二元光學元件的設計方法,2024/3/10,2.二元光學元件的設計方法,,2024/3/10,2. 二元光學元件的設計方法,二元光學元件的設計步驟： (1) 編碼過程 將原先振幅分布中所攜帶的信息，盡可能多的編碼到相位分布中去。 在這個過程中將會引進編碼噪聲 (2) 量化處理 對連續(xù)分布的相位進行分級量化處理。此時又會引起位相量化噪聲。 主要有：G-S算法、Y-G算法及SA(Sim

10、ulation Annealing)算法。,2024/3/10,3. 二元光學元件的制作方法,2024/3/10,3. 二元光學元件的制作方法,,2024/3/10,4. 二元光學元件的應用,衍射光學元件以其能夠靈活的變換波前、集多種功能于一體和可復制等優(yōu)良特性，促使光學系統(tǒng)和器件走向輕型化、微型化和集成化。這種新型的光學元件的應用極為廣泛。,2024/3/10,4. 二元光學元件的應用,微小光學系統(tǒng)中的微型元件光學及神經網絡計算、光

11、學平行處理系統(tǒng)中的光互連元件寬場及紅外成象系統(tǒng)中的元件光學濾波和材料加工系統(tǒng)中的衍射元件抗反射和偏振態(tài)控制的亞波長光柵結構光束整型、光束列陣發(fā)生器、微型光通信,2024/3/10,4. 二元光學元件的應用,外科醫(yī)療儀器中的雙聚焦內窺透鏡光盤讀出頭的 NEC 衍射元件能矯正色差畸變的 Redimax 熱聚焦透鏡用于材料加工的高效能系列長壽命的CO2聚焦透鏡。,2024/3/10,4.1 光束整形與勻化,CO2 激光在材料加

12、工中的用途之一，是用于材料的表面熱處理。為了使材料表面各點升溫均勻，需要一種光束整形元件，將高斯型強度分布的激光束轉換成平臺型強度分布。 傳統(tǒng)的折射光學元件唯一有效途徑是：制作特殊的折射元件，其表面是由對光束起不同響應作用的許多子區(qū)域組成。這樣的元件既復雜又不切合實際。,2024/3/10,4.1 光束整形與勻化,應用二元光學方法： 單個的衍射光學元件便能夠同時實現對入射高斯激光束的相位調制、強度變

13、換和聚焦。 利用這種衍射型光束整形器處理后的CO2激光光束，可以進行高效而均勻的表面熱處理。,2024/3/10,4.1 光束整形與勻化,高斯光束轉化為平臺光束示意圖(見下頁),2024/3/10,4.1 光束整形與勻化,2024/3/10,4.2 像差較正 ——He-Ne激光聚焦校正器,醫(yī)療儀器中長期懸而未決的難題：如何將CO2“刀光束”與指示照明用的He-Ne 激光束聚焦到同一平面上。通常使用的

14、 ZnSe (硒化鋅) 透鏡在He-Ne 激光器輸出波長比在CO2 激光器輸出波長上更高的折射率，使得 He-Ne 激光照明光束聚焦位置更靠近透鏡而遠離CO2激光照明光束聚焦點。所有現存的傳統(tǒng)光學的解決辦法，也都會帶來新的問題。,2024/3/10,4.2 像差較正 ——He-Ne激光聚焦校正器,2024/3/10,4.2 像差較正 ——He-Ne激光聚焦校正器,衍射光學技術提供了直接巧妙的解決辦法：

15、 在聚焦透鏡表面刻蝕出起負透鏡作用的衍射溝槽，使得He-Ne可見光束聚焦點拉遠而對長波段的CO2紅外激光束不起作用， 從而使CO2“刀光束”和 He-Ne“照明光束”很好的聚焦于同一點,2024/3/10,4.2 像差較正 ——He-Ne激光聚焦校正器,2024/3/10,4.2 像差較正 ——白內障病人眼球晶狀體替代元件,3M公司的工作人員已對患白內障病人設計了替換眼球晶狀體的元件，但此種手術通常使用的是普通

16、透鏡，它們只能使病人看見較近或較遠的物體。,2024/3/10,4.2 像差較正 ——白內障病人眼球晶狀體替代元件,為解決這個問題，3M 公司傳感器物理學家 J.Futhey 等在普通透鏡表面刻蝕二元光學元件，當光入射人眼時，二元光學元件約把一半光線聚焦到視網膜表面，另一半聚焦到視網膜內。眼睛和大腦能把注意力集中在某個焦點而忽視另一個焦點，從而提供遠近圖象。用這種方法，二元光學透鏡現已植入 50 多個國家的幾千名病人的眼中。,2

17、024/3/10,4.2 像差較正 ——折衍混合消色差,利用折射和衍射正好相反的色散特點，將二元光學技術用在折衍混合系統(tǒng)設計中，消除系統(tǒng)色差(如下圖所示)。,2024/3/10,4.2 像差較正 ——折衍混合消色差,2024/3/10,4.3 消反射與導膜共振濾波 ——消反射的衍射元件,為了抑制光學表面的菲涅爾反射，通常采用鍍膜方法，即在光學表面鍍一層具有梯度射射率的薄膜，使得兩種介質界面的光學性質近似的連續(xù)變化，

18、從而獲得極低的反射率。由于鍍膜中常用的化學萃取和共蒸發(fā)方法都要用到各向異性材料，因而不可避免的帶來熱學和力學性能不均勻等問題，使得高質量鍍膜難以成功的制作 。,2024/3/10,4.3 消反射與導膜共振濾波 ——消反射的衍射元件,二元光學解決途徑：在衍射光學元件表面刻蝕高空間頻率的連續(xù)位相光柵結構。由于光柵的空間周期極小，使得只有零級衍射光在入射介質和襯底中傳播，如同處于折射率呈梯度分布的有效介質中一樣，從而達到消反射的功效

19、。 通過合理的匹配光柵周期，選擇入射光波長等參數來設計消反射結構元件，可以獲得在寬波段和廣角度范圍內極低的反射率，從而有效地抑制光學表面的菲涅爾反射。,2024/3/10,4.3 消反射與導膜共振濾波 ——導膜共振濾波器,平面電介質波導光柵具有導膜共振特性，已在光電開關、光折變可調諧濾波器、窄線寬偏振激光等方面獲得實際的應用： 任意控制并壓窄線寬的不變或可調諧的光譜濾波器高效的低能開關轉換元件集成光學中窄波段光譜選擇反射鏡體

20、光學系統(tǒng)中激光線寬壓窄高精度傳感器,2024/3/10,4.4 光互連,光學互連元件是將一束激光分裂成一維或二維光束列陣的衍射光學元件。選擇不同的元件參數即互連程度 (與激光源相連的探測器數目) 和劈裂比(各劈裂開光束之間的相對能量比)，可設計出不同功能的光互連元件。通常有形成均勻強度分布的光互連元件(例如，多光束發(fā)生器、多光束照明器) 和形成非均勻強度分布的光互連元件(例 如，高斯扇形展開分束器)。,2024/3/10,4.4

21、光互連,目前光互連元件已廣泛的應用于光學計算和平行處理，集成光學，光電開關網絡，以及機器人視覺等領域中。,2024/3/10,4.4 光互連,近年來，隨著“信息高速公路”和數字光學計算機不斷的發(fā)展，自由空間光互連引起人們極大的興趣。PS (Perfect Shuffle)變換作為光互連的基本變換網絡，可以實現任意變換，因此, 具有重要意義。,2024/3/10,4.4 光互連,國內外學者提出多種不同實現PS 變換的方法：比如，透鏡

22、棱鏡法、衍射光柵法及全息光學元件法等。然而，實現這些方法不同程度的存在許多困難。我們提出用計算機制微閃耀光柵列陣實現PS變換網絡的新方法，具有如下特點：,2024/3/10,4.4 光互連,只用一個列陣元件，不需要空間濾波或復雜的光學裝置來實現信號的分割、交錯與倒序；信號空占比可任意調整；能量利用率極高；變換距離短；輸出象是正立的；極易實現元件微型化和多級互連,2024/3/10,4.4 光互連,2024/3/10,4.

23、5 靈巧掃描,2024/3/10,4.5 靈巧掃描,2024/3/10,4.5 靈巧掃描,由一對正負微透鏡列陣以共焦形式組合，當其中之一作橫向移動時，可對透過它們的激光束形成靈巧掃描。靈巧掃描器的參數可選擇如下：微透鏡直徑為200m，焦距為990m，相位等級數為8 ，衍射效率95 %，每個列陣包含約 60000個微透鏡，掃描視場角為11.5 o，掃描速率為 35Hz。,2024/3/10,4.6 激光光盤讀出頭,隨著激光技術、精

24、密機械技術和電子技術的發(fā)展，光、機、電三者相結合的產品已成為當前高科技產業(yè)中最重要的產品之一。其中，激光掃描技術和信息存儲光盤技術的發(fā)展十分迅速。早在1989 年，激光條形碼掃描器、激光打印機、激光唱機的銷售量分別已達二十萬臺、一百萬臺和一千萬臺。最近幾年，它們的銷售量在成倍的增長。,2024/3/10,4.6 激光光盤讀出頭,二元光學元件作為這些器件中的核心元件-----掃描光學元件和讀出光學頭，具有大數值孔徑、重量輕、并可偏振方向

25、選擇的特性；具有廣闊的應用前景。,2024/3/10,4.7 二元光學光纖列陣連接器,大多數光纖連接器都是端面對接式,例如ST(直插)型、BC(雙錐) 型、PC(物理接觸)型、FC(面接觸)型、SC(直聯)型以及SMA( 通用標準)型等。我們提出一種二元光學微透鏡列陣光纖連接器，,2024/3/10,4.7 二元光學光纖列陣連接器,由于透鏡之間的光束束寬遠大于對接式連接光纖之間光束束寬，大大降低了連接器對接過程中對橫向偏移的敏感程

26、度；由于透鏡端面面積遠大于光纖纖芯面積，使得通光表面污染的影響大為降低；可以采用在透鏡間注入折射率匹配液或者在透鏡另一表面刻蝕高頻光柵等 多種減反措施，有效消除菲涅爾反射；,2024/3/10,4.7 二元光學光纖列陣連接器,采用二元光學設計可以有效消除象差從而避免帶來附加損耗；可以采用模壓技術以便于滿足大規(guī)模生產要求，可以大大降低成本。,2024/3/10,4.7 二元光學光纖列陣連接器,,2024/3/10,4.8 多頭激

27、光劃片機,利用二維Dammann光柵形成上百條平行光束,經過反射、折射及微透鏡聚焦后，形成多頭激光束，對移動的工件進行劃片操作。（例如，用于太陽電池的劃片切割，具有劃片速度快、切割損耗小、使用效率高的優(yōu)點。） 下圖為多頭激光劃片機原理圖,2024/3/10,4.8 多頭激光劃片機,2024/3/10,4.9 半導體激光列陣合成器,2024/3/10,4.10 其它應用,萊福槍上的夜視儀，具有可寬帶使用、大數值口徑、

28、攜帶方便、低成本和大量復制等特點；,2024/3/10,4.10 其它應用,飛行員頭上的平視顯示儀，具有重量輕、光能損失小、單色顯示且顯示清晰等優(yōu)點；,2024/3/10,4.10 其它應用,Damman光柵分束器，其光束利用率極高，各光束強度均勻性好。,2024/3/10,4.10 其它應用,還可用于集成平面微光學系統(tǒng)中，靈活的控制光線傳輸的過程 ；,2024/3/10,4.10 其它應用,在慣性約束核聚變高功率激光系統(tǒng)中，用

29、隨機位相板來實現光束平滑處理。,2024/3/10,5．深蝕刻二元光學元件,二元光學形成時間之短、發(fā)展速度之快、應用領域之廣，都是人們始料未及的。因此，二元光學在元件設計、制作技術、誤差控制、質量檢測等方面都有許多課題需要研究解決。,2024/3/10,5．深蝕刻二元光學元件,為此，我們在目前二元光學技術的基礎上，發(fā)展一種新穎的、蝕刻位相深度超過、具有高深寬比(aspect-ratio)的深蝕刻二元光學技術。 深蝕刻二元光學技術拓展了二

30、元光學更加廣闊的應用領域，尤其在設計制作微小高能量密度元件方面有特殊用途;,2024/3/10,5.1 深蝕刻二元光學元件特性,探索性的系統(tǒng)研究了深蝕刻二元光學元件的衍射特性；提出了深蝕刻二元光學元件具有焦距縮短效應、高相對孔徑、高能量密度、高深寬比的特性；,2024/3/10,5.1 深蝕刻二元光學元件特性,2024/3/10,5.1 深蝕刻二元光學元件特性,2024/3/10,5.2 深蝕刻二元光學元件制作誤差分析,提出了4 階二

31、元光學元件衍射效率與制作誤差之間的解析式；創(chuàng)建了“深蝕刻二元光學元件制作誤差模擬軟件”；建立了深蝕刻二元光學元件制作誤差的經驗公式；,2024/3/10,5.2 深蝕刻二元光學元件制作誤差分析,,2024/3/10,5.2 深蝕刻二元光學元件制作誤差分析,2024/3/10,5.3 深蝕刻二元光學元件應用,利用深蝕刻理論和技術，在國內首次設計并制作出用于準分子激光照明系統(tǒng)中、具有結構緊湊、光束均勻性好等優(yōu)良特性的深蝕刻二元光學均勻器

32、。 深蝕刻二元光學器件的研究工作目前已處于國內領先水平。,2024/3/10,5.3 深蝕刻二元光學元件應用,2024/3/10,5.3 深蝕刻二元光學元件應用,2024/3/10,6. 結束語,二元光學及微光學技術是一門新興的綜合性高技術，具有光學元件少，尺寸小(直徑可在100mm左右)、制作成本低并能大量生產等優(yōu)點。,2024/3/10,6. 結束語,有廣闊的應用前景:例如它可用于紅外照相機、內窺鏡中;

33、激光打印機的掃描光學元件光盤唱機讀出光學頭通訊網絡的傳感器(聚焦元件)、連接器；,2024/3/10,6. 結束語,微透鏡列陣機器人工視覺及微透鏡列陣導彈制導傳感器；眼球人工晶體替代元件，具有兼顧遠近視場圖象功能；光計算的大容量互連。,2024/3/10,6. 結束語,微光學的發(fā)展，還使光學元件的尺寸進入微米、亞微米級領域，使人的認識進一步深入，使傳統(tǒng)光學及其技術發(fā)生巨大變革，這對光學領域特別是信息領域的發(fā)展將產生難以估量