衍射光学元件的反应离子束蚀刻研究

本文提出了一种制作衍射光学元件的新方法——-反应离子束蚀刻法.对此技术研究的结果表明:反应离子束蚀刻法具有高蚀刻速率、蚀刻过程各向异性好、蚀刻参数控制灵活等特点,对于衍射光学元件和微光学元件的精细结构制作十分有利.本文详细总结了反应离子束蚀刻过程中各工艺参数对蚀刻速率的影响,并在红外材料上制作了Dammann分束光栅.     

大口径多层介质膜光栅衍射效率测量及其在制作工艺中的应用

多层介质膜光栅是高功率激光系统的关键光学元件.为了满足国内强激光系统的迫切需求, 在大口径多层介质膜光栅的研制过程中,建立了单波长自准直条件下的衍射效率测量方法及其误差分析. 结果表明误差主要由探测器的噪声和测试人员的差异产生,对衍射效率测试精度的影响是±1%. 在此基础上,将光栅衍射效率及其分布测量技术应用于光栅制作工艺中, 作为大口径光栅无损检测的一种手段,如判断光栅掩模是否能进行离子束刻蚀、 离子束刻蚀的在线监测和是否需要再刻蚀,从而实现对大口径多层介质膜光栅离子束刻蚀过程的定量、 科学控制,提高了离子束刻蚀光栅制作工艺的成功率.利用上述技术,已成功研制出多块最大尺寸为 430 mm× 350 mm、线密度1740线/mm、平均衍射效率大于95%的多层介质膜光栅. 实验结果表明,该方法操作简单、测量快速准确,不必检测光栅微结构. 为大口径多层介质膜光栅研制的无损检测工程化奠定了基础.     

HfO2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀

多层介质膜光栅是高功率激光系统的关键光学元件. 为了满足国内强激光系统的迫切需求,首先利用考夫曼型离子束刻蚀机开展了HfO₂顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀实验研究. 采用纯Ar及Ar和CHF₃混合气体作为工作气体进行离子束刻蚀实验,获得了优化的离子源工作参数. 结果表明,与纯Ar离子束刻蚀相比,Ar和CHF₃混合气体离子束刻蚀时的HfO₂/光刻胶的选择比大. HfO₂的离子束刻蚀过程中再沉积效应明显,导致刻蚀光栅占宽比变大. 根据刻蚀速率分布制作的掩模遮挡板可以提高刻蚀速率均匀性,及时清洗离子源和更换灯丝,可保证刻蚀工艺的重复性. 利用上述技术已成功研制出多块最大尺寸为80 mm×150 mm、线密度1480线/mm、平均衍射效率大于95%的HfO₂顶层多层介质膜脉宽压缩光栅. 实验结果与理论设计一致,为大口径多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀提供了有益参考. 关键词： 光栅 多层介质膜 离子束刻蚀     

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。     

利用二维杨-顾算法设计非对称结构衍射光学元件

杨 顾算法是一种设计衍射光学元件的相位恢复方法。在大多数文献中,主要用它来设计一维衍射光学元件和具有旋转对称结构的二维衍射光学元件,故在此称之为一维杨 顾算法。二维杨 顾算法可用来设计任意结构的二维衍射光学元件。在基于非幺正变换光学系统中,用振幅 相位恢复理论建立了二维杨 顾算法的数学模型,给出了迭代算法。利用自编的仿真程序包设计了一个具有非对称结构的衍射相位元件。     

用湿法刻蚀技术制作衍射光学元件

研究了氢氟酸(HF)湿法刻蚀石英玻璃的化学机理，探索了针对衍射光学元件制作的刻蚀工艺，得到相关实验规律和工艺参数。最后对实验误差进行定量分析，得到湿法刻蚀的可控精度。     

衍射光学二维激光扫描器设计制作研究

提出、设计并采用激光直写和反应离子刻蚀技术制作出一种新型的衍射光学纯相位型二维激光扫描器,并进行了系统参数的实验测试,其扫描角度为２５°×２５°,衍射效率为４１％。     

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

利用边缘相位校正实现光束整形的高精度优化

提出利用边缘相位校正的新方法,校正用追迹法设计的产生环形光束的衍射光学元件的相位分布,从而实现光束整形中的高精度优化。通过将高斯光束整形为环形光束,将该方法、G-S(Gerchberg-Saxton)算法和改进的G-S算法设计得到的整形结果作了比较,结果表明,G-S算法的整形结果虽然衍射效率最大,但是均方根值和最大偏差也太大;改进的G-S算法可以有效的降低均方根值和最大偏差,但衍射效率也有较大的下降;而用边缘相位校正可以在衍射效率略微下降的情况下,更大的降低均方根值和最大偏差,其整形结果是综合了衍射效率、均方根值和最大偏差这三个评价指标以后得到的最优化结果,已接近理想的环形光束。     

采用分步迭代算法设计制作衍射光学元件

 结合均匀照明相位器件的设计实例，介绍最新提出的基于迭代框架的优化方法，并应用该方法设计制作了16台阶的衍射光学元件并对其进行了测试，验证了设计原理及方法的正确性，且对加工中可能出现的误差进行了分析和讨论。测试结果验证了采用多台阶相位结构的设计方案能有效提高工艺宽容度。     

RIE精确传递微光学三维结构于红外材料的方法

本文对红外光学材料锗的蚀刻性能、机制进行了深入的研究,在反应离子蚀刻(RIE)实验基础上,建立了锗材料蚀刻性能与RIE工艺参量的关系,经过大量的实验,找到了稳定蚀刻速率的方法和条件,为用RIE技术形成高精度衍射微光学元件积累了实用经验.     

Formation of diffractive microrelief on diamond film surface

The fabrication of diamond-based optical elements for high-power CO₂ lasers is of particular interest because of low optical absorption, high thermal conductivity and weak temperature dependence of the refractive index of diamond. In earlier publications, we presented the results of the implementation of ion-chemical etching technology for generating a diffraction grating on the surface of a diamond film. The results on generating diamond diffractive optical elements and a sub-wavelength antireflection structure by plasma etching were also presented. In this paper, we study the generation of the grating on the diamond surface by ion-chemical etching. The choice of (Ar+O₂) mixture as a working gas and use of niobium as a masking layer are substantiated. The results of studying a diffraction microrelief generated on the diamond-film surface through ion-chemical etching are discussed.     

Fabrication of planar optical phase elements

A method is described for obtaining thin film planar optical phase elements using photolithographic and specially developed evaporation/etching techniques. As an example of the method, the fabrication of a phase Fresnel zone plate in which the outermost zone measures 4.3 microns, is described.     

减少光学元件亚表面缺陷的方法研究

针对强激光光学元件的应用要求,对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析,并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应,提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高准确度加工．通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析,实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在．对材料的定量去除进行了实验,提出了亚表面缺陷的去除方法．     

光刻全息图的蚀刻条件研究

本文提出发展蚀刻二元元件的工艺,其中最重要的是选择适当的蚀速比,它是制作具有连续厚度分布的浮雕型光刻全息图的关键,文中给出了反应功率一定时腐蚀气体流量和蚀刻速率的关系曲线,找到了合适的工作点,根据这些结果,制作成功性能优良的全息光学元件.     

Butt-joint regrowth method by MOCVD for integration of evanescent wave coupled photodetector and multi-quantum well semiconductor optical amplifier

We have realized integration of evanescent wave coupled photodetector (ECPD) and multi-quantum well (MQW) semiconductor optical amplifier (SOA) on MOCVD platform by investigating butt-joint regrowth method of thick InP/InGaAsP waveguides to deep etched SOA mesas. The combination of inductively coupled plasma etching and wet chemical etching technique has been studied to define the final mesa shape before regrowth. By comparing the etching profiles of different non-selective etchants, we have obtained a controllable non-reentrant mesa shape with smooth sidewall by applying one step 2HBr:2H₃PO₄:K₂Cr₂O₇ wet etching. A high growth temperature of 680 ℃ is found helpful to enhance planar regrowth. By comparing the growth morphologies and simulating optical transmission along different directions, we determined that waveguides should travel across the regrowth interface along the [110] direction. The relation between growth rate and mask design has been extensively studied and the result can provide an important guidance for future mask design and vertical alignment between the active and passive cores. ECPD-SOA integrated device has been successfully achieved by this method without further regrowth steps and provided a responsivity of 7.8 A/W. The butt-joint interface insertion loss is estimated to be 1.05 dB/interface.     

光化学法腐蚀钢模工艺浅探

光化学腐蚀技术不仅广泛用于各种光学分划元件、印刷线路板、仪表标牌、面板等的制造,而且由于光化学腐蚀法加工具有精度高、成本低、周期短和设计方案修改方便等优点,已开始进入模具制造领域。本文将着重对用光化学腐蚀法制作移印钢模工艺中几个关键问题进行较详细的阐述。     

减少光学元件亚表面缺陷的方法研究

针对强激光光学元件的应用要求,对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析,并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应,提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高准确度加工.通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析,实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在.对材料的定量去除进行了实验,提出了亚表面缺陷的去除方法.