專利名稱：組合達曼光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及達曼光柵，特別是一種組合達曼光柵，以實現(xiàn)增加達曼光柵點陣分束數(shù)量和分束角度。
背景技術(shù)：
達曼光柵由Dammann和Gortle于1971年發(fā)明在先技術(shù)1 :H. Dammann and K.Gortler，Opt. Comm. 1971,3(3) :312 315。它作為夫瑯禾費型光學器件，入射光波經(jīng)過它產(chǎn)生的夫瑯禾費衍射圖樣是一定點陣數(shù)目的等光強光斑，完全避免了一般振幅光柵因 sine函數(shù)強度包絡(luò)所引起的譜點光強的不均勻分布。1995年周常河給出了從2到64點陣的達曼光柵解在先技術(shù) 2 =C. H. Zhou, L. R. Liu, App 1. Opt. ,1995,34(26),5961 5969， 之后設(shè)計了與大多數(shù)光學系統(tǒng)相配的圓形達曼光柵，并詳細地分析了相位制作誤差及側(cè)壁腐蝕誤差對光柵性能的影響在先技術(shù)3 =C. H. Zhou, J. Jia，L. R. Liu, Opt. Lett.，2003， 27(22) :2174 2176。由于受現(xiàn)有微納加工技術(shù)的限制，單個達曼光柵實現(xiàn)多點分束時分束數(shù)量和分束角度受到一定限制。如果想提高點陣密度實現(xiàn)多級次均勻點陣衍射，則設(shè)計出的達曼光柵特征結(jié)構(gòu)極為微小，難于實際加工且成本高昂。因而，選用現(xiàn)有工藝可加工、成本低廉的達曼光柵并用組合的方式實現(xiàn)多級次均勻點陣衍射則是增加達曼光柵分束數(shù)量和分束角度的有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決單個達曼光柵分束數(shù)量少、分束角有限的問題，提出一種組合達曼光柵，該組合達曼光柵可以增加達曼光柵點陣分束數(shù)量和分束角度，具有加工簡單、 成本低廉、實現(xiàn)方便和點陣光強度均勻等優(yōu)點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種增加達曼光柵點陣分束數(shù)量和分束角度的組合達曼光柵，其特點是將N個滿足光柵周期匹配條件的達曼光柵組合在一起，所述的光柵要滿足光柵周期嚴格匹配條件為當?shù)讦莻€達曼光柵為偶數(shù)型光柵，則Cln需滿足的光柵周期嚴格匹配條件為 Zsin-1OiinXAln)+Sin-1OXMn) = sin—1 ( λ/cU)；當?shù)讦莻€達曼光柵為奇數(shù)型光柵，則Cln需滿足的光柵周期嚴格匹配條件為 2^( λ MnHsirT1(XMn) = sin—1 ( λ/cU)；其中dn為第η個達曼光柵的周期，mn為其邊緣衍射級次，η為正整數(shù)且η e N，λ 為入射激光波長。所述的組合達曼光柵的組合方式包括緊貼組合，分離組合、雙面組合和復合組合，所述的緊貼組合即將多個達曼光柵緊貼實現(xiàn)組合；所述的分離組合，即將多個達曼光柵分離共光軸擺放實現(xiàn)組合；所述的雙面組合，即對光柵介質(zhì)兩面刻蝕達曼光柵實現(xiàn)組合；所述的復合組合，即選擇緊貼組合、分離組合和雙面組合中任兩種以上的組合方式。一種增加達曼光柵點陣分束數(shù)量和分束角度的組合達曼光柵方法，其特點是使用多個達曼光柵通過組合實現(xiàn)單個達曼光柵難以實現(xiàn)的分束數(shù)量和分束角。本發(fā)明的工作原理如下設(shè)定將N個達曼光柵組合起來形成組合達曼光柵，N為正整數(shù)。第η個達曼光柵周期為dn，且其+1級和0級衍射光分束角為α η，其邊緣級次衍射光為±m(xù)n級光，+mn級光與0級光之間的分束角為βη，π e N。設(shè)定入射激光波長為λ。對于達曼光柵N-I和達曼光柵N而言，達曼光柵N-I的 +1級衍射光入射到光柵N后的-mn級衍射光與達曼光柵N-I的0級衍射光入射到光柵N 后的+mn級衍射光的夾角為ΘΝ。為了保證組合達曼光柵的分束點陣與達曼光柵N的分束點陣效果一致，組合達曼光柵的相鄰衍射光分束角必須與達曼光柵N的相鄰光束分束角相等。因此，光柵N-I和光柵N的分束角滿足2 β ν+Θν= CIim，對于光柵Ν-2和光柵N-I而言，2 η = αΝ_2，并以此類推，其中各分束角滿足以下光柵方程dnsini3n = πιηλ， dn_lSin θ = λ,dnsin0n= λ。如果第N個達曼光柵為偶數(shù)型光柵，則ΘΝ =SirT1QX/ dn)，那么dn需滿足的光柵周期嚴格匹配條件為28^1 (mn λ /dn) +SirT1 (2 λ /dn) = sirT1 ( λ / (Ilri)，對該式近似計算得光柵周期近似匹配條件為2 (mn+l) Cllri = dn ；如果第N個達曼光柵為奇數(shù)型光柵，則θ N = sirT1 ( λ /dn)，則dn需滿足的光柵周期嚴格匹配條件為28^1 (mn λ / dn) +sirT1 ( λ /dn) = sirT1 ( λ /c^)，對該式近似計算得光柵周期近似匹配條件為Qmn+1) ‘ =dn。對上述兩種情況η均滿足η e N，N為正整數(shù)。對于高級次分束達曼光柵而言，特征尺寸系數(shù)很?。欢鴮τ诘图壌畏质_曼光柵而言，特征尺寸系數(shù)則較大參閱在先技術(shù)2 :C. H. Zhou, L. R. Liu, Appl. Opt.，1995， 3M26)，5961 5969。因而，可以利用多個光柵周期嚴格匹配的特征尺寸系數(shù)較大的達曼光柵，通過上述組合方法，實現(xiàn)單個達曼光柵在相同工藝水平下難以實現(xiàn)的分束數(shù)量和分束角。組合達曼光柵的實現(xiàn)方式包括緊貼組合，即將多個達曼光柵緊貼實現(xiàn)組合；分離組合，即將多個達曼光柵分離共光軸擺放實現(xiàn)組合；雙面組合，即對光柵介質(zhì)兩面刻蝕達曼光柵實現(xiàn)組合；復合組合，即選擇緊貼組合、分離組合和雙面組合中任兩種以上同時使用實現(xiàn)組合。本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明組合達曼光柵可以實現(xiàn)相同工藝條件下單個達曼光柵無法實現(xiàn)的分束數(shù)量和分束角，同時分束點陣光強均勻、衍射效率高的特點。


圖1是本發(fā)明組合達曼光柵實現(xiàn)192X 192點陣示意圖。圖2是單個達曼光柵實現(xiàn)的3X 3點陣示意圖。圖3是單個達曼光柵實現(xiàn)的64X 64點陣示意圖。圖4是組合達曼光柵實現(xiàn)的192X 192點陣示意圖。圖5是單片達曼光柵實現(xiàn)1X21分束示意圖。圖6是組合達曼光柵實現(xiàn)1X21分束示意圖。
具體實施例方式下面通過實施例及其附圖對本發(fā)明進一步說明，但不應因此限制本發(fā)明的保護范圍。實施例1 請參閱圖1，圖1是本發(fā)明的組合達曼光柵由達曼光柵2和達曼光柵3組合構(gòu)成以實現(xiàn)192X 192點陣的示意圖。圖中1為波長為λ = 532nm的激光束，2是實現(xiàn)3X3分束的周期為d2 = 3. 9um的奇數(shù)型達曼光柵，其點陣效果如圖2所示，3是實現(xiàn)64X64分束的周期為d3 = 500um的偶數(shù)型光柵，其點陣效果如圖3所示，達曼光柵2和達曼光柵3構(gòu)成組合達曼光柵。激光束1垂直入射到光柵2衍射后以入射方向各不相同的3X3激光束入射到3上， 3X3激光束經(jīng)過光柵3衍射后形成192X192點陣光束4。點陣光束4中典型光束有5為光柵2的+1級光入射到光柵3后衍射的+63級光；7為光柵2的+1級光入射到光柵3后衍射的-63級光；8為光柵2的0級光入射到光柵3后衍射的+63級光；10為光柵2的0級光入射到光柵3后衍射的-63級光；11為光柵2的-1級光入射到光柵3后衍射的+63級光； 13為光柵2的-1級光入射到光柵3后衍射的-63級光。6為光柵2的+1級光出射方向的延長線，9為光柵2的0級光出射方向的延長線， 12為光柵2的-1級光出射方向的延長線。14為8和9的夾角β 15為6和7的夾角β 2， 易知β = β 2 = β。16為6禾Π 9的夾角α，17為7和8的夾角θ，易知三者滿足θ = α_2β。組合達曼光柵衍射光柵分束角必須等于達曼光柵3的分束角即θ = φ，因而達曼光柵周期參數(shù)需滿足SirT1 ( λ /d2) -28111-1 (63 λ /d3) = sirT1 (2 λ /d3)，將前述光柵周期與激光波長實際參數(shù)代入計算后發(fā)現(xiàn)完全滿足。因而，基于該周期條件的組合達曼光柵可在 532nm激光照射下實現(xiàn)192X192點陣分束，其分束效果示意圖如圖5所示。實施例2 設(shè)定工藝條件為最小可加工尺寸是500nm?，F(xiàn)希望對532nm波長激光以2度分束角實現(xiàn)1X21點陣分束。若采用單個達曼光柵實現(xiàn)，則其光柵周期約為15. Mum，最小特征尺寸約為198nm，無法滿足工藝條件。在設(shè)定工藝條件下達曼光柵的最小光柵周期為38. 46um， 其最大分束角僅為0. 79度，圖6是單個達曼光柵以0. 79度分束角實現(xiàn)1X21分束的示意圖。因而采用單個達曼光柵無法實現(xiàn)2度分束角實現(xiàn)1X21分束的要求，只能采用組合達曼光柵方式實現(xiàn)。現(xiàn)利用1X3和1X7兩個奇數(shù)達曼光柵通過組合方式實現(xiàn)2度分束角的1X21點陣分束。根據(jù)前述周期匹配條件計算得1X7達曼光柵的周期需為15. Mum，其最小特征尺寸為1. 54um, 1X3達曼光柵周期需為2. 2um，其最小特征尺寸為0. 58um,因而此組達曼光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)均滿足設(shè)定工藝要求。圖7是基于上述周期參數(shù)的組合達曼光柵以2度分束角實現(xiàn) 1X21分束的示意圖。本發(fā)明所述的增加達曼光柵點陣分束數(shù)量和分束角度的達曼光柵組合方法，具有使用方便，成本低廉，光點光強均勻等優(yōu)點。此達曼光柵組合方法可有力擴展達曼光柵的應用范圍，有望在精密測量、機器視覺、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應用。
權(quán)利要求
1.一種組合達曼光柵，其特征是將N個滿足光柵周期匹配條件的達曼光柵組合在一起，所述的光柵要滿足周期匹配條件為當?shù)讦莻€達曼光柵為偶數(shù)型光柵，則dn需滿足的光柵周期嚴格匹配條件為 Zsin-1OiinXAln)+Sin-1OXMn) = sin—1 ( λ/cU)；當?shù)讦莻€達曼光柵為奇數(shù)型光柵，則《需滿足的光柵周期嚴格匹配條件為 2^( λ MnHsirT1(XMn) = sin—1 ( λ/cU)；其中dn為第η個達曼光柵的周期，mn為其邊緣衍射級次，η為正整數(shù)且η e N，λ為入射激光波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合達曼光柵，其特征在與所述的組合達曼光柵的組合方式包括緊貼組合，分離組合、雙面組合和復合組合，所述的緊貼組合即將多個達曼光柵緊貼實現(xiàn)組合；所述的分離組合，即將多個達曼光柵分離共光軸擺放實現(xiàn)組合；所述的雙面組合，即對光柵介質(zhì)兩面刻蝕達曼光柵實現(xiàn)組合；所述的復合組合，即選擇緊貼組合、分離組合和雙面組合中任兩種以上的組合方式。
全文摘要
一種組合達曼光柵，將N個滿足光柵周期匹配條件的達曼光柵組合在一起，所述的光柵要滿足周期匹配條件當?shù)趎個達曼光柵為偶數(shù)型光柵，則dn需滿足的光柵周期嚴格匹配條件為2sin-1(mnλ/dn)+sin-1(2λ/dn)＝sin-1(λ/dn-1)；當?shù)趎個達曼光柵為奇數(shù)型光柵，則dn需滿足的光柵周期嚴格匹配條件為2sin-1(mnλ/dn)+sin-1(λ/dn)＝sin-1(λ/dn-1)；其中dn為第n個達曼光柵的周期，mn為其邊緣衍射級次，n為正整數(shù)且n∈N，λ為入射激光波長。本發(fā)明對入射光多次衍射可實現(xiàn)相同工藝條件下單個達曼光柵難以實現(xiàn)的分束數(shù)量和分束角度，本發(fā)明具有使用方便，成本低廉，光點光強均勻等優(yōu)點，可有力擴展達曼光柵的應用范圍，有望在精密測量、機器視覺、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應用。
文檔編號G02B27/10GK102566056SQ201210004449
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者周常河, 曹紅超, 王少卿, 賈偉, 韋盛斌, 麻健勇 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所