宽谱衍射微光学结构的设计与制作研究

摘要

本论文基于衍射微光学原理，设计并制作了红光高清衍射物镜原理性样片及红外、THz波段的衍射波前结构，分别实现了输出面上的光强控制和相位控制。红光高清衍射物镜用于下一代红光高清光电存储系统，要求能将红光激光在3mm焦距处聚焦为0.5μm直径的焦斑。衍射波前结构要求能够产生可控的红外及THz波前，用于模拟自适应光学系统中的大气湍流。
　　 采用基于标量衍射理论的平面波角谱衍射理论设计衍射光学元件（Diffractive Optical Element，DOE），与使用基于严格电磁波理论的矢量衍射理论设计结果相近。但设计过程更简单，数据处理量也较少。借鉴传统的衍射光学元件设计方法——盖师贝格-撒克斯通算法（Gerchberg-Saxton Algorithm，GS算法）的思想，将角谱衍射理论与GS算法相结合，设计了迭代角谱算法。用该算法设计了用于光强控制的红光高清衍射物镜，及用于相位控制的衍射波前结构。数值仿真结果显示，设计所得结果满足预期需要。
　　 本论文中采用的衍射微光学元件的制作方法，摈弃了传统的多步套刻的方式，而采用了单步光刻的方法，可最大限度的提高精度。在光刻时，根据所制衍射微光学元件特征尺寸的大小，合理选择光刻的方式。对红光高清衍射物镜，采用了单步电子束光刻的方法，以适应其表面处的精细图形结构。对衍射波前结构，由于其面特征尺寸较大，选用了单步掩模光刻的方法。后期腐蚀中，皆采用了相对廉价的湿法腐蚀工艺，节省了器件制作费用。对所制衍射微光学元件进行表面形貌及光学性能测试显示，红光高清衍射物镜和衍射波前结构的表面均存在极精细结构，表面粗糙度都达到了光学镜面水平，初步实现了预期目的。为下一步的实用化，提供了可借鉴的理论与实验基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 衍射光学理论

3 红光高清衍射物镜的设计与制作

4 衍射波前微结构设计与制作的探索

5 总结

致谢

参考文献

附录