了解：如何制作衍射光学元件？

liukai · 发表于 2023-9-17 09:50:44

　　据我了解的DOE工艺讲一下，可能会有差错，敬请谅解。数字示波器http://www.gzyuli.com/shuzishiboqi/【SIGMA西格玛光机一级代理商】广州誉立电子科技有限公司是一家集光学平台、光学隔振平台、光学气浮隔振平台、光纤调芯电控位移台、物镜等光学平台研发生产、销售服务于一体的厂家公司，并代理了国内外先进的光学仪器和显微物镜器件等，是sigma西格玛光机总代理，主要有物镜,光学隔振平台,刚性隔振平台,气浮隔振平台,光谱分析仪,光纤调芯位移台,无掩膜直写光刻设备,空间光调制器,高光谱仪,显微物镜,光纤光谱仪等。热线:020-38880135

　　DOE工艺一般分为母版制作和DOE加工两部分。母版制作的过程较为复杂，拿硅衬底举例，先旋涂上一层光刻胶，并在其上用掩膜进行UV紫外曝光，接着显影出初步的结构，然后拿这个初步的结构再来进行光刻后处理。

　　光刻后处理这一步有好几种工艺，比如湿法刻蚀和ICP刻蚀，光刻胶是用来作阻挡层的，做出深结构后再用丙酮把光胶去掉；还有比如电镀，lift-off，微注塑这些工艺，上一步留下的变性的光刻胶就像往地里的坑里种萝卜，光刻胶部分就是已经种有萝卜的坑，剩下要填萝卜的空坑就是要制作的结构。

　　母版制作大概就这些，DOE加工这部分就很好理解，同样在衬底上旋涂光刻胶，去紧贴合前面做的母版，此时就能得到我们想要的DOE结构，跟小时候用橡皮泥压模具差不多。

　　衍射光学元件基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，刻蚀于片基上或传统光学器件表面上，结构如下图[1]：

　　上图中rm为第m个环带的半径，f为中心环带的焦距，fm为第m个环带的焦距，衍射光学元件的焦距是由其中心波长和环带半径决定的，对于不同的环带有不同的焦距：

　　式中：n0 为介质的折射率；λ0为中心波长。

　　在使用光学设计软件设计时，例如ZAMAX软件中的BINARY和CODEV软件中旋转对称衍射面设计，其位相系数同衍射面相位的关系可用下式表示：

　　式中，Φ为衍射面的相位函数，λm为衍射元件工作的中心波长，Dj为设计软件中优化生成的位相系数。

　　衍射面的各个环带突变处的径向半径可由下式计算：

　　N=1,2,3,…,n；表示第n个环带突变处。

　　衍射面的环带深度可由下式计算：

　　式中，m为衍射级次，通常将衍射级次定义为1级，nM为材料在中心波长的折射率，ni为入射介质折射率，一般在空气中，ni≈1。

　　假设出射光波完全衍射到 m=1的衍射级次上，那么由上面的衍射效率公式，可以得到环带深度应满足如下等式：

　　衍射元件有一个缺陷，即会将光衍射到不同的级次，导致像质降低，因此需要考虑衍射元件的衍射效率。衍射效率，是指衍射到指定的光的百分比。闪耀表面轮廓可以使尽可能多的光集中到所选择的所选择的级次上。在使用一个或多个衍射表面的光学系统的设计中，不仅要考虑设计衍射级次，还必须考虑其它衍射级次中的光分布[2]。

　　衍射光在第m级的衍射效率：

　　式5-1

　　式中λ为工作波段范围内的波长，m是衍射级次，λ0为设计的波长。若λ0/λ=m，则衍射效率等于百分之百。如果波长对衍射效率的影响是比较大的，对8~12um，m=1，n=n0时，各波长对应的衍射效率如图所示：

　　如果衍射表面被制作成多级二元光学表面，则衍射效率与台阶数有关，台阶数越多效率越高。当台阶数及其外形轮廓使其相位连续时，透过率函数可用

　　表示，此时透过率函数为：

　　二元面的位相调制关系如下图：

　　可得：

　　衍射光学通常使用第一级衍射，此时衍射效率为：

　　常见二元面光学元件台阶数与衍射效率的关系如下表所示：

　　设入射光是入射角为θ的斜入射，因为相位与衍射面的台阶高度有关，则其将有所偏离，式5-1中α变为

　　衍射效率与入射角大小的关系曲线如下图所示：

　　本节内公式未进行演算，仅摘录于参考文献。

　　简单来说就两步：掩膜制作和掩膜转移

　　衍射光学元件（DOE）通常用于光学系统，对于许多光学设计人员来说，在OpticStudio序列模式下建模DOE非常重要。本文介绍如何在 OpticStudio 中对衍射表面进行建模，并演示如何使用Binary 2 表面类型对衍射光学元件进行建模。

　　除了折射作用外，OpticStudio 中的许多表面还具有衍射效果。衍射效果与折射率和表面矢高无关，但会改变入射光线的相位。有关如何在OpticStudio中对衍射表面进行建模的更多信息，请看下文。

　　根据以下公式，Binary 2 表面的衍射效果导致在整个表面上引入连续相变：

　　其中系数A_i以弧度为单位。

　　由于相变在整个表面上是连续的，因此Binary 2表面代表理想的二元衍射光学元件，其中离散步长的大小与波长相比无限小或足够小。

　　通常，由 Binary 2 表面建模的物理 DOE 将具有这样一个衍射区——其周期是径向距离的函数，如下图所示。OpticStudio可以计算每个衍射区的径向坐标，其中某个衍射区的相位与相邻衍射区正好相差2pi。

　　在一个特定的径向坐标上由Binary 2表面增加的波的相位量与波长无关。波长相关的光程长度（OPL）由下式给出

　　下图显示了由于Binary 2 表面引起的色差效果。

　　Binary 2 表面通常用于消色差。考虑一个简单的单透镜，其中较长波长的焦点距镜头的距离比短波长大。旋转对称的DOE（如Binary 2表面）可用于最小化纵向色差。

　　下面我们来介绍设计Binary 2 光学器件的过程。

　　我们将使用衍射阶数 m=1 的Binary 2 表面设计一个 DOE 来校正纵向色差。首先，设置系统属性和表面属性：

　　将系统长度单位设置为 mm（系统资源管理器...单位)将系统光圈设置为入射瞳孔直径 30 mm（系统资源管理器...孔径)将波长设置为 F、d 和 C。（系统资源管理器...波长）;从波长数据窗口的下拉菜单中选择F，d，C，然后点击选择预设。在镜头数据编辑器中使用以下参数设置曲面：

　　3D布局图如下：

　　使用 RMS 光斑半径默认评价函数优化系统以获得最佳对焦。

　　优化后，编辑器中的变量表面2 的厚度，将接近 51.608 mm.

　　纵向色差图显示出很大的纵向色差。

　　我们现在将向Binary 2 表面添加一些衍射项。

　　在镜头数据编辑器中，设置以下参数值，并将 p^2 和 p^4 的系数设置为变量：

　　重新优化系统。请注意，纵向色差比之前小得多。

　　现在我们有了Binary 2表面的系数并知道了相位轮廓，我们需要计算用于制造的每个2mp衍射区的径向坐标。每个衍射区的相位与相邻区域的弧度相差+2pi或-2pi，如下图（a）所示。

　　运行宏“Phases.zpl”并在出现提示时指定表面2。

　　结果表明，共有 246 个区域，最后一个区域距离表面顶点 14.94 mm。

　　下图说明了DOE表面轮廓的几种不同可能性。