二元光学

二元光学元件的设计以及制造
几 种 典 型 的 二 元 光 学 器 件
二元光学元件的设计问题是去构造一个 新的分布函G(u),G(u)=|G(u)|. exp(i. f(u)) 它满足以下三个条件： (1) |G(u)|＝1，（纯相位型元件，振幅为 常数）； (2) f(u)是L 等级量化的（二元光学元件 ）； (3) G(u)的夫琅和费衍射花样g(x)＝ FT{G(u)｝的强度分布|g(x)|2 以高精 度地逼 近已知的强度信号| f (x)|2
二元光学元件的设计步骤
(1) 编码过程 将原先振幅分布中所携带的信 息，尽可能多的编码到相位分布中去。 (2) 量化处理 对连续分布的相位进行分级量 化处理。 主要有：G-S 算法、Y-G 算法及SA（ Simulation Annealing）算法。 普通光学零件的面形是用研磨、抛光方法加 工而成的，而二元光学元件的面 形是用与超大规 模集成电路制造技术相同的方法加工的。 由于制 造技术仍是制约二元光学元件发展的关键问题， 所以改进制造技术是 一个主要的研究领域。
2
3 消反射的衍射元件
为了抑制光学表面的菲涅尔反射，通常采用镀膜方法，即在光学
表面镀一层 具有梯度射射率的薄膜，使得两种介质界面的光学性质近似
的连续变化，从而获 得极低的反射率。由于镀膜中常用的化学萃取和共 蒸发方法都要用到各向异性材料，因而不可避免的带来热学和力学性能
不均匀等问题，使得高质量镀膜难以成功的制作 。
7
其它应用
莱福枪上的夜视仪 ，具有可宽带使用、大数值口径、携带方便、低 成本和大量复制等特点。
飞行员头上的平视显示仪 ，具有重量轻、光能损失小、单色显示且
显示清晰等优点。 达曼光栅分束器，其光束利用率极高，各光束强度均匀性好。
还可用于集成平面微光学系统中，灵活的控制光线传输的过程 。
二元光学的特点和功能
二元光学技术是利用计算全息方法与微细加工 技术，在任意片基材料上制作出位相深度为多台 阶微浮雕结构的衍射微光学元件。二元光学元件 的形状是以往折射型光学元件所没有的特殊状， 以二元透镜为例说明二元透镜的形状，按折射型 透镜的形状去掉波长整数倍光程差的部分。这是 因为即使这样也不改变其性能，再以几分之一波 长的厚度将形状量化。这种阶梯式量化形状就是 二元光学元件的特点。
4 灵巧扫描
input out put
由一对正负微透镜列阵以共焦形式组合，当其中之一作横向移动时， 可对透过它们的激光束形成灵巧扫描。
5 激光光盘读出头
随着激光技术、精密机械技术和电子技术的发展，光、机、 电三者相结合的产品已成为当前高科技产业中最重要的产品之一。 其中，激光扫描技术和信息存储光盘技术的发展十分迅速。早在 1989 年，激光条形码扫描器、激光打印机、激光唱机的销售量 分别已达二十万台、一百万台和一千万台。最近几年，它们的销 售量在成倍的增长。 二元光学元件作为这些器件中的核心元件 -----扫描光学元
利用折射和衍射正好相反的色散特点，将二元光学技术用在折 衍混合系统设计中，消除系统色差。
Refractive Optics
Binary Optics
Mixed Optics
+
BLUE RED RED BLUE
=
WHIT E
第三，有更多的参数选择性。 在一般的光学系统设计中，为校正像差，需弯曲一 些曲面；而校正色差，需用两种不同性质的玻璃，但校正 参数的选择余地是 很小的。例如，想消除像差时，只能 弯曲曲面，而现在就不同了，利用二元光学器 件，只需 在平面或曲面上做一些台阶，而台阶的宽度 、 深度 、位 置等都是可变的，所以选择性就大多了。
高斯光束转化为平台光束示意图
二元光学方法：单个的衍射光学元件便能够同时实现对入射 高斯激光束的相位调制、强度变换和聚焦
2 像差校正
——He-Ne激光聚焦校正器
医疗仪器中长期悬而未决的难题，如何将CO2“刀光束”与 指示照明用的He-Ne 激光束聚焦到同一平面上？
He -Ne Laser He -Ne CO 2 Laser CO ZnSe
二元光学解决途径：在衍射光学元件表面刻蚀高空间频率的连续 位相光栅结构。由于光栅的空间周期极小，使得只有零级衍射光在入射
介质和衬底中传播， 如同处于折射率呈梯度分布的有效介质中一样，从
而达到消反射的功效。通过合理的匹配光栅周期，选择入射光波长等参 数来设计消反射结构元件，可以获得在宽波段和广角度范围内极低的反 射率，从而有效地抑制光学表面的菲涅尔反射。
在惯性约束核聚变高功率激光系统中 ，用随机位相板来实现光束平 滑处理。
结语
微光学的发展，使光学元件的尺寸进入微米、亚微 米级领域，使人的认识 进一步深入，使传统光学及其技 术发生巨大变革，这对光学领域特别是信息领域 的发展 将产生难以估量的作用。 三微技术（微电子、微光学、 微机械）的结合将改变人类社会的生产、生活的观念和方 式。
巧妙的解决办法： 在聚焦透镜表面刻蚀出起负透镜作用的衍射沟槽，
使得He-Ne 可见光束聚焦点拉远而对长波段的CO2 红外激光束不起作 用，从而使CO2“刀光束”和He-Ne “照明光束”很好的聚焦于同一
点。
2 像差校正
——He-Ne激光聚焦校正器
He -Ne Laser He -Ne CO Laser ZnSe CO 2
第二个优点是其独特的色散性能。 对于一般的折射光学器件，由于光波不同，红光与蓝 光聚焦的地方不同，即存在色散，而二元光学器件，控制 相位台阶的位置与高度，使红光与蓝光聚焦在不同的地方 ，但红光、蓝光的相对位置正好同折射器件相反。若将折 射器件与二元光学器件叠加在一起，红光、蓝光可聚焦在 同一个点上，甚至白光也可完全聚焦在一个点，因此可利 用二元光学器件去补偿折射器件的色散，形成折衍混台系 统，因此，可利用这些特性，构造混合系统，可大大简化 光学系统，减轻重量，减小体积。
二元光学
前言
二元光学是衍射型光学元件新的制作技术。 衍射型光学元件是根据光衍射现像的原理， 即从波动光学的观点出发，所设计的光学元件。 与此相反，现在使用最多的透镜和棱镜等光 学元件是按折射定律把光作为光线来处理，即从 所谓的几何光学的观点出发所设计的折射型光学 元件。在现在的光学机械中，主要使用折射型光 学元件而很少使用衍射光学元件。这是因为衍射 型光学元件还存在着一些问题。 二元光学就是利用最新的光学技术来解决这 些问题，并进一步实现衍射型光学元件的固有功 能。
折射透镜到二元光学器件浮雕结构的演变
二元光学器件有如下优点: 第一，有比较高的衍射效率。
经过理论计算，两台阶，衍射效率达41%；四台阶，可达 81% ；而八台阶，高达95%。利用更多的掩膜，四块、六块或八块时，能 得到更高的衍射效率。但这样做是很不值的，八台阶以后，衍射效率 已趋于饱和。况且，每套刻一次，就失掉一次精度，不可能每次套刻 那么准，所以一般做成八台阶器件。
二元光学元件的制作
多掩膜法 主要有光刻法、掩模移动法、灰阶掩模法、热熔法
和梯度折射
一种直角坐标 方式的激光直 写系统
光刻热溶法—表面折射微光学元件
二元光学元件的应用
1 衍射光学激光共振腔
一般的激光共振腔是由平面反射镜、球面反射镜构成 的，出射的基模激光束 的光强分布是高斯型分布，而且对高 阶模的抑制比较困难。这在许多应用中是不利的，用二元光 学技术可以制作具有所需要的反射系数的反射镜，从而出现 一种新的激光共振腔。它出射的激光模式形状、光束的光强 分布可以得到控制，并可以有很高的模式甄别能力。
二元光学概念
随着20 世纪60 年代激光的出现，由于其具 有单色、相干长度好等特点，许多重要的研究必 须使用激光才能更充分地发挥仪器的优良特性， 因此，在科学技术发展中以透镜棱镜为主、且光 机电集成的趋势下的光学仪器，越来越显得重、 大、笨，因此研制小型、高效、阵列化的光学器 件己刻不容缓。
二元光学是衍射光学的主要分支学科，是研 究微米、亚微米级特征尺寸光学元件的设计、微 细加工技术及利用该元件以实现光束的发射、聚 焦、传输、成象、 分光、图象处理、光计算等一 系列功能的理论和技术的学科，是光学与微电子 、 微计算机相互融合、渗透而形成的前沿交叉学 科。
2
2 像差校正
——He-Ne激光聚焦校正器
通常使用的ZnSe（硒化锌）透镜在He-Ne 激光 器输出波长比在
CO2 激光器输出波长上更高的折射率，使得He 一Ne 激光照明光 束聚
焦位置更靠近透镜而远离CO2 激光照明光束聚焦点。所有现存的传统 光学的 解决办法，也都会带来新的问题 。 衍射光学技术提供了直接
件和读出光学头，具有大数值孔径、重量轻、并可偏振方向选择
的特性；具有广阔的应用前景。
6 多头激光划片机
利用二维达曼光栅形成上 百条平行光束,经过反射、 折射及微透镜聚焦后，形
成多头激光束，对移动的
工件进行划片操作。 例如，用于太阳电池的划
片切割，具有划片速度快、
切割损耗小、使用效率高 的优点。