衍射光學技術及其應用內容：什么是衍射光學，優勢何在？如何設計衍射光學器件？如何加工衍射光學器件？衍射光學器件的應用光線：折射、反射傳播方向由斯涅耳公式確定能量分配由菲涅耳公式確定薄透鏡成像信息信息的獲取信息的傳輸信息的存儲信息的處理信息的顯示······儀器儀表光學儀器儀表激光1960年1、什么是衍射光學？光學技術與儀器的發展趨勢：

小(微)型化、陣列化、集成化。傳統的光學器件對此卻“心有余而力不足”，供需矛盾就要求在技術上要有所創新與突破。微光學微光學兩個主要分支:基于折射原理的梯度折射率光學基于光波衍射原理的衍射(二元)光學

1987年，美國MIT林肯實驗室Veldkamp領導的研究組在設計新型傳感系統中，率先提出了“二元光學”的概念。二元光學元件因其在實現光波變換上所具有的許多卓越的、傳統光學難以具備的功能，而有利于促進光學系統實現微型化、陣列化和集成化，開辟了光學領域的新視野。掩模曝光顯影刻蝕二元！衍射理論：標量衍射理論和矢量衍射理論。特征尺寸>波長，標量衍射理論；特征尺寸~波長，矢量衍射理論。菲涅耳衍射：夫瑯和費衍射：3>1>2

折衍混合物鏡傳統物鏡獨特的色散性能寬廣的材料可選性只要能刻蝕的，都能作為基底進行衍射光學器件的刻蝕。光學材料、光子學材料、光電材料、電子學材料

熔融石英、硅、SiO2,SiON,Si3N4

玻璃glass

塑料plastic

丙烯酸acrylic

環氧epoxy

聚酰胺polyamide

聚碳酸酯polycarbonate

樹脂resin

ZnS

鋁aluminum

鉻chromium

銅copper

鍺germanium

砷化鍺germaniumarsenide

金gold

鎳nickel更多的設計自由度臺階位置、寬度、深度、形狀等。MicrolensmulticolordispersivebeamcollimatorasphericgenerationMultifocalchromaticcorrectionbeamdiverterasphericcorrectionbeamsteerer,scannerpolarizationrotatorbeammultiplexerwavefrontsampler特殊的光學功能衍射光學實現光束勻滑DOE透過率函數

不能解析求解

轉化成優化問題許多優化算法被提出來進行衍射光學器件的設計：a.遺傳算法(GA)b.模擬退火算法(SA)c.Gerchberg-Saxton算法(GS)d.楊-顧算法(YG)e.最速下降算法f.爬山法g.全局／局部聯合搜索算法(GLUSA)h.爬山—模擬退火混合算法

……全局搜索算法局部搜索算法混合算法全局優化潛力優化效率不高優化效率高最早的實用算法是GS算法，于1971年由Gerchberg和Saxton首先提出。

不足:局部搜索算法

輸入輸出、ST等

對初始值敏感、易陷入局部極值點、設計性能不好ST改進算法設計結果YG算法：更普適的算法20世紀80年代初中科院物理所楊國楨、顧本源矩陣迭代求解公式YG算法的不足與改進：與GS算法類似ST改進難以兼顧位相的緩變與光束勻滑性能的優良爬山—模擬退火混合算法：位相連續性得到保證局部搜索方向(爬山法):

+全局優化(SA)：以一定概率跳出局部極值點優化的位相分布：特征尺寸~波長量級或亞波長量級矢量衍射理論基于電磁場理論，在適當的邊界條件上嚴格地求解麥克斯韋方程組。已經發展了幾種理論，如耦合波、時域有限差分法、邊界元法、模態法等。但總的來說，這些理論方法設計衍射光學器件都要進行復雜的且費時的計算機運算，難以進行優化設計，常用來分析器件性能。有待發展實用而有效的設計理論。矢量衍射理論多臺階位相器件的制作

連續位相器件的制作

復制工藝

刻蝕輪廓測量3、如何制造衍射光學器件？掩模的生成：圖形發生器、紅膜圖精縮等電子束圖形發生器~0.1m光學圖形發生器：~0.5m紅膜精縮：~1.0mGCAPG3600F光學圖形發生器光刻膠的涂布：甩膠、拉膠等

關鍵：涂布既要均勻，又要可控制厚度張力提拉離心力圖形轉印：接觸式、投影式、分布投影式。

接觸式光刻是將掩模板和涂有光刻膠的基片接觸曝光。投影式光刻是將掩模圖形1:1成象于基片表面曝光。分步投影光刻：用紫外光將掩模圖形在基片上進行分步投影精縮。刻蝕：濕法刻蝕、干法刻蝕。

濕法刻蝕即化學腐蝕屬各向同性刻蝕，刻蝕邊緣多是園弧形，精度低，不宜刻蝕小于3m的圖形。干法刻蝕是在氣相中將要刻蝕部分變成揮發物質而被清除，它包括離子刻蝕(IBE)、反應離子刻蝕(RIE)和反應離子束刻蝕(RIBE)等工藝方法，均屬各相異性刻蝕。其刻蝕速率高，具有良好的方向性和選擇比，分辨率可高達10nm。連續位相BOE

無掩膜方法

激光直寫、電子束直寫有掩膜方法灰階掩膜

移動掩膜或旋轉掩膜等臺階位相衍射光學元件的制作需要多次重復掩模圖形轉印和刻蝕(或薄膜淀積)過程，加工環節多、周期長、且對準精度難以控制。連續位相衍射光學器件：一次成形且無離散化近似。直寫法電子束：最小水平線寬<0.5m激光：最小水平線寬>0.5m輪廓深度難以控制和刻蝕圖形變形問題

灰階掩膜法衍射光學器件的刻蝕深度與刻蝕時間、曝光強度成正比。若掩膜板的光強透過率是連續分布，轉換并刻蝕在基片上的位相深度就是連續分布的。刻蝕深度刻蝕時間曝光強度移動掩膜與旋轉掩膜刻蝕深度圓心角h刻蝕深度h復制工藝衍射光學器件母板制作成本較高。發展復制技術是成本、推廣應用的關鍵。鑄造法(Casting)模壓法(Embossing)注入模壓法(Injectionmolding)在光刻熱熔成型以及電鑄復制得到的微透鏡陣列鎳板基礎上，采用靜態鑄塑技術，得到了高質量的PMMA微透鏡陣列．復制精度優于0.5m。刻蝕輪廓測量微觀形貌臺階儀掃描電鏡SEM掃描探針顯微鏡SPM原子力顯微鏡AFM衍射光學器件已廣泛用于光學傳感、光通信、光計算、數據存儲、激光醫學、娛樂消費以及其他特殊系統中。折衍混合物鏡光束勻滑光束準直分束與合束光學圖象處理微光譜儀光束掃描光盤讀數頭激光熱處理亞波長結構4、衍射光學器件的應用1)照相機物鏡衍射光學色散、熱膨脹等特性與折射器件具有互補性，校正折射透鏡的色差與熱差光學系統的小型化與輕量化2)光束勻滑神光Ⅱ裝置的慣性約束聚變(ICF)靶場系統定性描述衍射光學器件的束勻滑功能a.無器件焦點b.焦前c.焦點d.焦后100mm1.064mLD3)消象散半導體激光器(LD)存在非對稱激活通道，發出的光具有較大的發散角且有像散，一般平行及垂直方向的發散角分別在y=10~30、x=30~60，需預先校正為準直性好的圓形光束才能實際應用。

4)長焦深由于系統的加工制造誤差或裝配誤差，或被檢測物的表面不平度等原因導致聚焦光斑的變化，從而影響工作精度，因此要求掃描光束沿光軸具有一定的焦深。5)光束準直許多大型乃至巨型的機電設備的安裝及測量需要一條準確的長距離光學基準線。基于無衍射光束原理設計的衍射光學器件可以提供此基準線，它可將激光器發出的光改造為準直性非常好的光束，準直范圍達幾十米。6)分束在光纖通信、光計算、光盤存儲、光電技術、圖象處理及精密測試等現代科技的許多領域中，越來越多地要求能將一信息(圖象或數據)的輸入變換成多個信息的輸出，因此需要光學分束器件。Dammann光柵、Talbot光柵、微透鏡陣列等均能實現上述功能。Dammann光柵:具有特殊孔徑函數的二值相位光柵,其對入射光波產生的夫瑯和費衍射圖樣是一定點陣數目的等光強光斑，完全避免了一般振幅光柵因sinc函數強度包絡所引起的譜點光強的不均勻分布。設計思路：相位取二值，但周期內空間坐標(刻槽數目及槽寬)被任意調制或僅相位調制，或空間坐標與相位同時被調制。LaserSpacialFilterSampleDammannGratingLensLensFilterCCDParalellConfocalDetectionSystemBasedonDammannGratingsConfocalPinholeArrayObjectiveDichroicDammann光柵的應用：并行共焦顯微鏡Dammann光柵的應用：激光加工、激光熱處理劃片切割激光熱處理Dammann光柵的應用：多通道并行處理利用多個特征信息判識物體，提高系統的識別率Talbot光柵:基于Talbot自成像原理，設計一個有特定相位分布的相位光柵，在單色平面波的照明下，使某些特定位置上的菲涅耳象變成一個振幅光柵，即光斑陣列。Talbot距：多臺階Talbot光柵:微透鏡陣列:連續位相或多階位相菲涅耳波帶透鏡陣列。微透鏡陣列的應用：多重成像、波前檢測微透鏡陣列的應用：與紅外焦平面探測器耦合7)光束迭加8)二元光學視網膜(BOR:Binaryopticalretina)

紋理是圖象視覺表面的基本特征之一，包含了與物體形狀、方位和深度等密切相關的亮度統計信息和空間分布信息。對輸入圖象提取不同頻帶和取向的紋理特征信息，需要的光學器件包括Dammann光柵、濾波器陣列、棱鏡陣列等，實現光學并行帶通濾波，與視覺系統初級階段的多通道濾波理論相似。二元光學器件，使其同時集成棱鏡、濾波器、達曼光柵等功能，即做成了一個“二元光學視網膜”。9)衍射超分辨器件

CDDVDDVRWavelength：780nm－>650nm－>400nmNA：0.45－>0.60－>0.85Capacity：650MB－>4.7GB－>22GB光盤的變遷：愛里(Airy)斑逐漸變小。d比愛里斑還要小？衍射超分辨器件！在一定超分辨能力下，保證主瓣光強最大！最優解將二次約束線性化線性規劃理論泛函分析10)亞波長器件有限時域差分方法：FDTD(Finite-DifferenceTime-DomainMetho