微光学技术及其应用(最新版).ppt

1、微光学及其应用(Microoptics and its applications),郑国兴电子信息学院Tel:87851024E-mail:,2,微光学,宏光学,3,内 容,微光学概述 微光学元件的设计原理 微光学元件的加工工艺技术 微光学的应用举例,4,一、微光学(microoptics)的定义研究微米、纳米级特征尺寸的光学元器件的设计、制作工艺及利用这类元器件实现光波的发射、传输、变换及接收的理论和技术的新学科。二、微光学元件的特点体积小、重量轻、设计自由度大、可集成、可复制,5,三、微光学元件的分类,分类,折射率调制型：GRIN透镜(GRIN:gradient-index),浮雕调制型：

2、,折射型、反射型(几何光学分析),衍射型(衍射光学分析),连续面型,多台阶面型(即：二元光学元件),6,GRIN透镜,微透镜阵列,二元光学元件,连续面型衍射光学元件,n,7,四、微光学的主要研究机构,国外：美国：加利福尼亚大学、林肯实验室、JPL喷气动力实验室、杜邦公司等加拿大：国家光学实验室(NOL)德国：爱 尔兰根(Erlangen)大学、爱森(Essen)大学瑞士：CSEM、MICROSUSS、奴沙泰尔大学俄罗斯：西伯利亚电工研究所日本等国的一些高校与研究所国内：中科院光电所：微细加工光学技术国家重点实验室中科院长春光机所清华大学精密仪器系浙江大学光电系华中科技大学光电系等,8,五、微光

3、学研究现状,国外：已经逐步走向实用化并得到广泛的应用国内：军用和民用均得到了较大发展存在的困难：1、成本高2、成品率低3、深浮雕面型控制困难4、复制技术不过关,9,内 容,微光学概述 微光学元件的设计原理 微光学元件的加工工艺技术 微光学的应用举例,10,一、折射率调制型微光学元件GRIN透镜,横截面折射率分布,GRIN透镜侧面,11,自聚焦透镜的特性,重要性能参数：焦距：f=-1/n0A1/2sin(A1/2L)聚焦参数：A=2D/a2数值孔径：NA=n0(2D)1/2节距：P=2p/A1/2成像特性：与透镜长度有关：1/4 节距透镜1/2 节距透镜0.23节距透镜0.29 节距透镜,12,

4、典型应用：光通信、微型光学系统、医用光学仪器、光学复印机、传真机、扫描仪,13,14,CODE V中的GRIN Lens,ZEMAX中的GRIN Lens,15,二、折射型微光学元件的设计,1、规则面型微透镜的设计 几何光学成像公式计算、追迹,非球面系数,透镜玻璃牌号,16,z,微光学元件,像面,入射光强度分布,像面强度分布,x,2、特殊面型的微光学元件 折射定律、边界条件、能量守恒原则,17,z,x,h(x),(x),x,按照输入输出能量守恒原则：,微光学元件面和输出像面具有一一对应的关系：,微光学元件面的面型决定着偏折角的大小：,(1),(2),(3),z,18,设计举例：将一束具有高斯强

5、度分布的激光变换成环形强度分布,输入场分布：,输出场分布：,第一步：将上述分布代入公式(1)，可得：,(式中L为微光学元件尺寸),第二步：利用公式(2)求解与x的关系：,当x0时，,误差函数：,第三步：利用公式(3)求解微光学元件浮雕分布h(x)：,同理可分析x0的情况。,19,设计仿真结果：,微光学元件浮雕分布,入射光强分布,出射光强分布,20,卡赛格林望远系统示意图,主镜,副镜,高斯环形的典型应用：,激光,信号探测,21,利用公式(1)、(2)和(3)计算得到的微光学元件，可以将任意输入光强分布变换为想要的分布，比如：平顶分布环形分布；高斯分布平顶分布；高斯分布环形分布等等注意：1、设计的

6、前提是入射光束为准平行光，入射波前为近似平面，所以实际应用中，如果入射光束发散角较大，须先进行准直扩束；2、公式(1)、(2)和(3)的成立须满足“稳相条件”，即输入函数变化缓慢，否则计算精度较低；3、入射光场的相干性对输出强度分布有一定影响，在图形突变部分会造成强度分布的轻微振荡。,22,三、衍射光学元件的设计,1、位相的折叠将位相约束在一定范围以内,采用模除的方法将位相约束在以内：mod(x),=(x)-n*n=floor(x)/,(x),(x),23,衍射元件的复振幅透过率：,若=2，则：,由此可见，2整数倍位相的折叠不影响复振幅透过率,最大浮雕深度：,(h一般在数微米),24,折叠后的

7、位相(x)是原位相(x)的周期函数，其周期为调制深度；因而expi(x)也是以为周期、(x)的周期函数，将其按傅立叶级数展开后得到：,各衍射级的振幅：,如果调制深度=2，则当m=1时，C1=1，其余Cm=0，说明从衍射元件中出射的光都衍射进1级中，所以衍射效率为100%。如果调制深度不是2的整数倍(比如实际加工误差引起)，则所有的Cm都不为零，出射光束存在多级衍射光，降低了了衍射效率。,(x),(x),25,2、浮雕结构的二元台阶近似,起因：具有斜度的连续面型用微细加工工艺存在一定困难，而加工 阶梯结构相对较容易。,二元台阶近似下的衍射效率：设调制深度为2，则二元器件的复振幅透过率为：,将其代

8、入衍射级的振幅公式中，得到：,衍射效率：,L台阶数,26,3、用于光束整形的衍射光学元件的设计理论,标量衍射理论：1)G-S算法2)直接二元搜索法(DBS)3)模拟退火算法(SA)4)遗传算法(GA)5)Y-G算法矢量衍射理论：1)积分法2)微分法3)模态法4)耦合波法,27,G-S算法原理,G-S算法也称迭代傅立叶变换算法，是1972年由英国物理学家Gerchberg和Saxton首次提出用于设计计算全息片。,F=|F|.expi,f=|f|.expi,衍射光学元件面,像平面,RW Gerchberg and WO Saxton,“A practical algorithm for the

9、determination of the phase from image and diffraction plane pictures,”Optik 35,237246(1972).,28,整形举例1：将一束高斯光整形为具有三个环的强度分布,衍射光学元件,像面,y2,x1,x2,y1,P1(x1,y1),(x2,y2),z,入射高斯光,已知：衍射元件面的振幅为高斯分布:,像面的振幅分布为三个平顶环：,将上述振幅分布置入G-S算法中，循环多次即可得到衍射元件面的位相分布。,29,循环次数：m=1,循环次数：m=20,循环次数：m=2,循环次数：m=3,30,衍射元件的位相分布,位相折叠后,位相

10、折叠之前,31,实验结果：,像面强度分布图(激光波长632.8nm),第一个环,第二个环,第三个环,32,整形举例2：Dammann光栅,Dammann光栅原理：通过对光栅每一个周期内位相分布的特殊设计，使其各个衍射级数内分配的能量相等Dammann光栅用途：分束器、光互联、多重成像、图象处理等等,达曼光栅,普通光栅,0,白：透光黑：不透光,白：位相0黑：位相,33,1级,0级,-1级,单色相干光,Fourier透镜,实例：,达曼光栅,光谱面,34,设计的Dammann光栅在一个周期内的面型分布,仿真计算的高斯光束经过Dammann光栅后的远场衍射分布,35,4、用于成像的衍射透镜的特性,假设

11、衍射透镜的面型是旋转对称的，其位相分布可描述为：,式中第一项决定着透镜的光焦度，衍射透镜在第m衍射级的光焦度为：,衍射透镜和折射透镜的焦距公式比较：,Abbe数比较：,一般在8020,对白光约-3.45,热差：,36,5、折/衍混合系统中衍射透镜消色差的功能,消色差光焦度分配公式：,传统光学组合：正负透镜搭配构成双胶合结构缺点：要求Abbe数相差较大，造成透镜光焦度大，单色像差校正困难折/衍混合光路：折射透镜和衍射透镜组合优点：两透镜均为正光焦度；折射透镜可分配大光焦度，衍射透镜分配小光焦度，利于制造；相对于双胶合结构，利于减小单色像差。,(1),(2),37,折/衍混合系统举例1：望远物镜,

12、F=100mm,口径40mm，视场2.5,衍射元件面,(a)双胶合结构望远物镜,(b)折/衍混合望远物镜,38,像差曲线,点阵图,39,折/衍混合系统举例2：埃尔弗(Erfle)目镜的改进,引进衍射透镜的优势：混合目镜均由正透镜组成，降低了折射透镜的表面曲率，使单色像差易于校正；衍射透镜本身不引起场曲，又因无负透镜介入而使折射面曲率变小，因此场曲必然下降；衍射透镜还可用于校正大视场的畸变；可减少组成器件数目和所需材料的种类，减小组成器件的体积、重量，从而大大简化系统结构，提高系统性能，降低成本。,眼睛,眼睛,40,部分像差曲线：左：原系统右：折衍混合系统,41,6、菲涅尔波带透镜的设计,菲涅尔

13、波带片结构,菲涅尔波带透镜结构,42,实例：焦距f=80mm，口径1mm，石英材料，8台阶，波长632.8nm。计算得到环带数39，最小特征尺寸13.8um，衍射效率95%,8台阶,16台阶,43,菲涅尔透镜阵列SEM照片,侧面结构,CCD探测到的聚焦光斑,44,微光学元件,折射率调制型：GRIN透镜准直、聚焦、成像,浮雕调制型,折、反射型,衍射型,小结：,普通折射型微透镜,光束整形,光束整形,分束：Dammann光栅,补偿像差：折/衍混合系统,聚焦成像：菲涅尔衍射透镜,45,7、微光学、宏光学混合系统的分析,M1,M2,M3,x1,x2,x3,x4,z,x1,x2,x3,x4,z,微光学元件

14、,传输矩阵：自由空间：薄透镜：,其中：L是通过系统轴上光路的长度；k为自由空间的波数,46,内 容,微光学概述 微光学元件的设计原理 微光学元件的加工工艺技术 微光学的应用举例,47,微光学材料：主要材料：融石英(SiO2)：各向同性、性能稳定、波长范围广、透过率高、容易刻蚀硅(Si)：各向异性、质地较脆、刻蚀速度快、属红外材料其他：锗、二氧化锗、各种光学玻璃、聚合物等等微光学元件制作：二元台阶面型、连续面型,48,二元光学器件工艺流程：,照 射 光,49,连续面型微光学元件的制作工艺方法,1、特殊掩模技术灰度掩模、半色调掩模、移动掩模2、光刻胶热熔法 只能制作大NA的微透镜、填充因子小、面型

15、控制难3、激光束、电子束直写 成本高、周期长、浮雕深度浅、分辨率低4、金刚石车削 适合于制造小数值孔径、旋转对称的微光学元件,50,灰度掩模,半色调掩模,51,热融法制作的微透镜阵列,52,微光学元件制作流程,元件设计,工艺设计,掩模制作,光 刻,刻 蚀,检 测,是否合格？,否,交付使用,批量复制,是,53,一、掩模(Mask)的制作,金属铬层,透光部分,掩模板的侧面结构,玻璃基底,金属层,光刻胶,掩模板实物,电子束、激光束,显影,去铬,去光刻胶,54,激光直写系统工作原理示意图,系统照片,55,二、光刻曝光过程,光刻机分类：投影式光刻机系统分辨率高、价格昂贵接触(接近)式光刻机系统易污染掩模

16、、价格便宜,涂胶,基片预处理,前烘,曝光,显影,清洗、吹干,观测,后烘坚膜,图形是否满意,是,否,掩模板,光刻胶,基片,56,三、刻蚀(图形传递过程),光刻胶,基片,刻蚀气体,分两种：干法刻蚀和湿法刻蚀1、干法刻蚀,举例：融石英(SiO2)的刻蚀：,57,反应离子刻蚀机原理,刻蚀机实物照片,58,2、湿法刻蚀,湿法刻蚀容易发生钻蚀，效果不如干法刻蚀。分各向同性刻蚀和各向异性刻蚀两种。各项异性刻蚀：用于刻蚀特殊图形，如V型槽,光刻胶,基片,腐蚀液,54.74,Si,（111）,（111）,硅材料的晶向,可用于放置光纤阵列,59,其他图形传递方法,增加法：化学气相沉积(CVD,Chemical V

17、apor Deposition)电镀、离子扩散增加法与减小法相比：横向精度略低，纵向精度高,60,四、微光学元件的检测,面型检测：1、显微镜 可观察图形的局部缺陷，有限的测量横向尺寸2、台阶仪 可精确测量一维轮廓3、三维轮廓仪 全方位的观测面型,61,性能检测：,评价指标：衍射效率、光斑形状、分布,激光器,准直扩束,微光学元件,CCD相机,数据处理与分析,62,五、微光学元件的复制技术,电铸、热压、模压、铸造、紫外固化、溶胶凝胶等复制材料：具有热塑性或光敏性的聚合物，如聚碳酸酯(PC)、有机玻璃(PMMA)、聚氯乙稀(PVC)、光敏聚合物(NOA61)、环氧材料等等复制技术难点：1、模板与复制

18、品的准确分离2、具有高纵横比结构的复制品的收缩问题3、复制材料的均匀性、复制效率,63,原版微浮雕,电铸原理,电镀,1-50nm厚的金属(如Au,Ag),电镀镍,镍,镍版,分离,可加一层分离膜,64,热压原理,橡皮层,平板玻璃,聚碳酸脂,镍版,橡皮层,65,模压原理,注入塑料,镍版,66,紫外固化模压,紫外光照射固化,紫外固化材料,67,溶胶凝胶(sol-gel)法,溶胶凝胶法原理,步骤：1、将去离子水与SiO2母体(四乙基原硅酸盐、四甲基原硅酸盐)混合，生成“sol”；2、将sol浇铸在复制板上，sol凝结后生成的SiO2固体称作”gel”。优点：1、透射光谱宽：从近紫外到红外2、抗损伤阈值

19、高3、化学性能稳定,68,内 容,微光学概述 微光学元件的设计原理 微光学元件的加工工艺技术 微光学的应用举例,69,应用之一：红外焦平面的光聚能,红外探测器,红外探测器,传统探测方式：大量能量损失!,(2)微透镜阵列收集光能,(3)微透镜阵列与探测器集成使用,70,微透镜阵列的使用，使180元HgCdTe红外探测器的探测率提高到2.8倍,256256PtSi红外探测器集成芯片,菲涅尔微透镜阵列图,71,集成微透镜阵列部分,无微透镜阵列部分,集成芯片成像结果（手指像）：,无微透镜阵列部分,集成微透镜阵列部分,集成芯片成像结果（灯丝像）：,72,应用之二：光束匀滑的作用,塑料,掩模,微光学元件整

20、形,1、准分子激光打孔,73,2、微电子光刻机中掩模板的离轴均匀照明,Laser homogenizer,Focus systems,(a),(b),(c),Excimer output field distributions,74,利用微光学元件实现的各种形状和分布的光斑,75,应用之三：波前分割,1、夏克哈特曼传感器 用于分析波前特性、测量系统相差、检测光束质量,76,2、板条激光器的均匀泵浦系统,均匀泵浦目的：1、减小热透镜效应2、稳定系统的输出,LD,准直镜,微透镜阵列积分器,聚焦透镜,像面,77,不匀滑的聚焦光斑,匀滑后的聚焦光斑,传统光束匀滑光路,微透镜阵列匀滑光路,微透镜阵列匀滑

21、器,宏光学元件匀滑器,78,应用之四：高功率半导体激光器消像散,79,NA高达0.6,80,应用之五：改善各种激光器的光束质量,光束质量的描述：M2因子、光参数积其中，光参数积束腰发散角很多激光器在光斑横截面上两个方向的光束质量相差悬殊，如半导体激光器、准分子激光器、板条激光器等,y1,x1,x2,y2,Incident beam,Output beams,Microoptical elements,81,(a)整形前的光束,(b)整形后的光束,微光栅阵列SEM图片,82,应用之六：人眼高阶像差校正器,从哈勃望远镜到眼科医学：,83,某患者的人眼像差分布,微光学元件校正器,校正后的像差分布,眼科应用：1、近(远)视度数较高；2、多种视觉疾病如近视、散光、斜视等并发的患者；3、眼科手术失败的患者。,84,应用之七：折/衍混合光学系统,折/衍混合透镜,85,可供参考的资料,金国藩等，“二元光学”，国防工业出版社，1998.赫尔齐克(周海宪译)，微光学元件、系统和应用，国防工业出版社，2002.Stefan Sinzinger et al,microoptics,Wiley-VCH,2003.Applied Optics,Optical Letter,Optical Engineering,Optik,.微细加工技术，光电工程，物理学报，光学学报，中国激光，光子学报，,谢谢！,