一种二元整形元件激光直写方法的实验研究

为了实现具有复杂位相结构的二元光束整形元件,提出了采用方光点的激光直写系统来逐点光刻浮雕位相结构的方法,通过双远心投影缩微光路获得5-20 μm方点,光点尺寸对应于最小位相单元,从而获得了位相结构的高质量直写.分析了高斯光点和方光点位相单元结构对二元整形元件衍射效率的影响,方形两台阶二元整形元件的+1级衍射效率达到31%,给出了实验结果.     

高分辨率衍射图形的DMD并行激光干涉直写

通过将数字微反射镜（Digital Micro-mirror Device,DMD）输入阵列图形微缩干涉成像,激光干涉直写系统在光刻胶板上得到缩小的干涉光斑图形,像素特征尺寸3.5 μm,干涉条纹周期1 μm.控制刻蚀深度、干涉条纹取向和DMD输入图形的结构,系统能数字化完成2D/3D、3D光变图像、超微图形文字以及二元光学元件的制作,实现了超高分辨率图形与高效的干涉光刻.给出了实验结果.     

具有存储功能的衍射图像光刻系统的研制

研制了一种在衍射光变图像器件上进行信息存储的新型数字化激光光刻系统。采用空间光调制器作图形自动输入,双远心投影成像系统在光刻记录面上缩微图形。通过光栅干涉光学头对记录面上的微图形进行干涉调制,使微图形上产生干涉条纹,条纹空间频率范围为500-1200lp／mm。在光刻胶干版上的存储实验表明,在衍射光变图像上的单角度存储信息密度大于3．7Mbit／cm^2。改变干涉条纹取向、条纹间隔和需要存储的图形,光刻系统可实现信息的旋转复用存储。上述光刻系统将会在防伪和衍射光变图像器件制造领域有良好应用。     

低空频模板实现微光变图像的激光直写方法

提出一种采用低空频模板实现微光变图像(micro-optical variable device)的激光直写方法。低空频模版由6×6个不同取向线条状单元图形构成，单元图形由空间光调制器输入，经精缩投影光学系统缩微，在光刻胶面上逐单元曝光。控制单元图形的结构取向能够实现各种复杂设计和特性的微光变图像。在低频光栅模板的基础上，给出了定向散斑结构输入模板的设计方法，它可进一步改进图像的非彩色效果。采用自行研制的SVG-LDW04型激光直写系统制作了微光变图像，其结构特征线度为4μm～100μm。该方法无需机械旋转机构，为实现微光变图像提供了一种便捷有效的手段。     

利用二元光学器件消二级光谱设计

二元光学器件除了能减小成像系统的体积、重量和成本外,还具有许多传统光学元件无法比拟的优越性,如独特的色散特性。通过采用基于二元光学器件的折衍射混合设计以及等效玻璃的方法,设计了长焦距宽波段望远系统,并对其二级光谱进行校正。最后通过光学软件模拟结果表明:利用二元光学元件能很好地实现消二级光谱,并且实现了系统的轻量化。     

一种基于二元位相加密的大信息量数字全息水印

研究了一种基于二元位相加密的大信息量数字全息水印方法,对需隐藏的水印信息用二元位相编码,然后再用2台阶位相密钥进行加密,作为水印插入宿主图像中,解码后得到了高质量的水印结果.与平面波照明数字全息水印相比,采用位相密钥数字全息水印有效地提高了水印提取的安全性和相对光学效率,并保持了对大信息量水印的提取质量,解码过程不依赖于原图像. 计算和分析了二元位相密钥的空间分布对水印信息提取质量的影响,计算结果验证了理论的正确性.     

基于纳米压印的大角度衍射光学元件批量化制备方法

针对大角度(大于50°)衍射光学元件低成本、批量化制备的需求,提出一种基于纳米压印技术的制备方法.首先利用光学曝光技术或电子束直写技术制备衍射元件的原始母板,然后将原始母板的结构通过纳米压印过程复制到压印胶上,完成衍射光学元件的制备.由于纳米压印母板可以多次重复使用,降低了制作成本,提高了效率.用该方法制备了不同特征尺寸(最小为250nm,衍射全角为70°)的衍射光学元件,具有良好的衍射效果,实现了对高深宽比浮雕结构的高保真复制.该技术可实现从微米到纳米跨尺度兼容的衍射光学元件的高保真、低成本、批量化制备.     

菲涅尔衍射光刻

通过合理选取等间距采样点的数目,利用快速傅里叶变换算法解释了有限通光光阑产生的“内密外疏”菲涅尔衍射条纹.基于菲涅尔衍射,在静态曝光、动态扫描条件下分别实现了约190 nm最小特征尺寸图形制备,以及约350 nm线宽线条直写.菲涅尔衍射光刻无需复杂的光学透镜组合,无需任何微纳衍射光学元件,且具有较大的聚焦容差.该方法有望成为一种新型的,低成本、高灵活度的亚波长图形制备手段.     

连续型平面衍射聚光透镜掩模的制作

针对目前二元光学元件掩模制作工艺过程的诸多不足，对连续型平面衍射聚光透镜掩模的激光直写制作工艺进行了研究。基于基尔霍夫标量衍射理论，采用光线追迹法设计了连续型平面衍射聚光透镜掩模。采用激光直写技术，利用CLWS 300M／C极坐标激光直写设备、S1830光刻胶和MICROPOSIT 351显影液，进行了刻写实验。实验表明，激光能量、预烘烤温度、显影液浓度以及预曝光对掩模微结构的制作均有影响。最后制作了掩模。与二元光学元件掩模的制作工艺相比，该技术具有工艺简单、制作周期短且易于操作的优点。     

二元光学超光谱成像仪分光系统设计

二元光学元件用作透镜在原理上色差非常大,若不在设计上做出补偿,则会限制其在宽波段上使用。阐述了利用二元光学元件色散特性的新型超光谱成像仪的基本原理和应用前景。由于国内加工衍射透镜工艺条件的限制,提出利用折衍混合透镜代替衍射透镜来实现色散和成像,介绍了此透镜系统的设计方法,利用光学设计软件进行分析和评估,希望对二元光学超光谱成像仪的设计具有指导意义。     

消色差谐衍射微透镜列阵的应用研究

本文研究菲涅耳谐衍射透镜的特性和工作条件,分析二元谐衍射透镜的衍射效率及制作要求,设计并研制了用于萨克-哈特曼波前传感器的双波长共焦谐衍射微透镜列阵,得到了良好的应用效果.     

Directional excitation of surface plasmon polaritons in structure of subwavelength metallic holes

In this paper, we propose a structure formed by two subwavelength holes fabricated in a metal film to realize directional excitation of surface plasmon polaritons (SPPs). The holes are employed as SPP sources, and the relative phase of SPPs generated at the hole exit end can be adjusted by changing the dielectric material filled in holes. Using the difference in relative phase values of SPP for two holes filled with different dielectric media, the SPPs can interfere constructively along one direction while destructively along the opposite direction. Our theoretical analysis is verified by the three-dimensional finite-difference time-domain method. Moreover, the directional excitation of SPPs in two-hole array structure is also discussed. It is found that the effect of SPPs directional excitation is improved with the increase of the number of two-hole.     

基于叠层衍射成像的二元光学元件检测研究

本文提出了一种基于叠层衍射成像(ptychography)的二元光学元件的检测方法,该方法可实现对二元光学元件表面微观轮廓的检测以及特征尺寸的标定.相比于传统的二元光学元件检测方法,其使用无透镜成像技术,简化了系统结构并可适用于特殊环境下的检测.该方法可直接通过采集多幅衍射图,利用叠层衍射成像迭代算法可精确地复原大尺寸待测元件的表面微观轮廓,提高大尺寸器件的检测效率.本文模拟仿真了台阶高度与噪声大小对纯相位台阶板复原结果的影响,并在光学实验中选取计算全息板为样品,复原样品的表面微观轮廓信息以及得到台阶高度.以白光干涉仪检测结果为标准,该方法在精度要求不太高的前提下,可获得令人满意的成像质量.     

Fabrication of a binary diffractive lens for controlling the luminous intensity distribution of LED light

To control the luminous intensity of an light-emitting diode (LED), we designed and fabricated a binary diffractive lens by electron beam lithography on a poly(ethylene terephthalate) (PET) film. We showed that it is possible to control luminous intensity distribution using the binary diffractive lens. To improve the diffraction efficiency, we then designed a binary blazed diffractive lens with a focal length of 140 mm. With a binary blazed diffractive lens having a focal wavelength of the order of micrometers, it is possible to create a small, thin light source for controlling the distribution of luminous intensity.     

Hybrid Integration Between Long Focus Microlens Array and IR Detector Array

A special method, named step simulation method, is proposed for fabricating Si microlens array to improve the performance of infrared focal plane array (IR FPA). The focus length of rectangle-based multistep microlens array with element dimension of 40 µm×30 µm is 885.4 µm by the method, which is much longer than the focus length of microlens array fabricated by conventional Fresnel binary optics technique., The large-scale 256×256 element microlens array is hybridintegrated with the PtSi Schottky-barrier IR FPA by optical adhesive. The test results show that diffractive spot size of the microlens is 17 µm×15 µm and the average optical response of the IR FPA is increased by a factor of 2.4.     

用于复色哈特曼人眼波像差测量的折/衍混合调焦系统

设计了一个折/衍混合多色调焦系统,可用于哈特曼波前传感器测量不同波长下人眼的波像差.系统由两片折射透镜和一个二元衍射面构成,焦距调整范围为－200～200 mm.系统性能达到衍射受限,在0.488～0.655 μm波长范围内,焦点色位移小于3 μm.整个系统结构简单、紧凑,同哈特曼波前传感器相匹配,可用于普通人群眼波像差的测量.     

用于光纤传像束的折-衍混合光学耦接器研究

在光学耦接器设计中引入衍射面，根据衍射光学元件的三级像差理论，分析了衍射面初始结构参量的求解规律，通过理论计算和ZEMAX光学软件的优化，给出工作波长0.4~0.7 μm，焦距27.5 mm，光学长度为64 mm，采用一个衍射面的耦接器设计实例.该耦接器适用于单丝直径16 μm，截面直径为6 mm的光纤传像束.对设计结果的分析表明，折-衍混合耦接器不仅在光学性能方面优于传统的光学耦接器，而且在尺寸和重量上有非常显著的减少.     

高衍射效率衍射望远镜系统的设计/加工及成像性能测试

为提高衍射效率,设计并制作了口径为300mm的衍射成像系统.该系统的物镜是由一块四台阶位相型菲涅尔波带片通过激光直写套刻和Ar离子束物理刻蚀技术在石英玻璃基板上加工而成.测试了衍射物镜的衍射效率,实验结果表明:衍射物镜在波长632.8nm处的衍射效率为66.4%,达到理论值的82%.搭建了衍射成像系统光路,分别采用10μm星点孔与分辨率板,测试了系统的成像性能.实验测得星点像直径为44μm,分辨率板的极限分辨率达到84lp/mm,接近该系统的理论计算值,表明该衍射成像系统具有较好的成像性能.     

利用汉克尔变换设计高斯光束整形衍射元件的应用研究

衍射光学元件由于可以实现对高斯光束的整形而被重视,其通常的设计方法为G-S算法,由于使用傅里叶变换运算量大、费时长,将快速汉克尔变换应用到这些算法中可以极大地提高运算速度,节省运算时间,为设计复杂的光束整形元件提供了高效、可行的方法。本文利用该种方法设计针对中心波长为775 nm、光束束腰口径为6 cm的激光器,成功设计了一个具有二阶相位的折衍混合光学元件。仅单独这一片元件,既可在距离其35 m处得到一半径为200μm的圆形平顶光斑,均方根误差D0.021。当抽样值取2~15时,在普通PC机上运行时间仅为20.05 s,大大节省了优化设计时间(整个优化设计过程往往需要几十次甚是上百次这种运算)。同时利用离子刻蚀技术加工了该折衍混合元件,并进行了实际测试,结果与设计值基本相符,整形效果较好。这种单片的整形元件不仅整形效果好,还有利于与激光器的集成,简化系统的调节。     

旋转体时域有限差分法对轴对称亚波长衍射光学元件的分析

采用旋转体时域有限差分法对轴对称亚波长衍射光学元件进行严格的矢量分析.推导了旋转体时域有限差分法的基本计算公式;给出了入射波的设置方法;采用了完全匹配层吸收边界条件;改进了平面波谱传播算法,大大简化了计算过程并提高了计算速度.对多台阶微透镜和二元亚波长微透镜进行分析给出了它们焦平面的电场强度分布.数值计算结果表明,本文的算法可以准确且高效地分析轴对称亚波长衍射光学元件.