《二元光学ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二元光学ppt（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、现代光学前沿新兴分支学科二元光学技术与应用2018/8/17主要内容：1.二元光学概述（含义发展背景,国内 外发展状况,特点） 2. 二元光学元件的设计方法 3. 二元光学元件的制作方法 4. 二元光学元件的应用（重点介绍） 5深蚀刻二元光学元件 6. 结束语 2018/8/171.二元光学概述传统光学l基于光波的折射和反射原理，利用透镜 、反射镜和棱镜等元件进行设计和实现 各种光学功能。 l衍射效应总是导致光学系统的分辨率受 到限制，除了光波的色散性质可应用于 光谱学之外，传统光学总是尽量的避免 衍射效应造成的不利影响。2018/8/171.二元光学概述l六十年代，随着计算机制全息图以及相
2、息图的发明和成功的制作，引起了观念 上的重大变革。人们认识到应用这些新型的衍射光 学元件，可方便灵活的控制光路以实现 多种光学功能，开辟光学系统设计的新 天地。2018/8/171.二元光学概述l七十年代，在可见光和近红外光波段内 制作具有高衍效的超精细结构元件仍面 临困难，因而限制了这些元件的应用范 围。与此同时，微电子工业在制作技术 方面也经历了一场革命，光学和电子束 制版以及干刻蚀技术逐渐发展成熟，已 成为制作精细结构元件的完善工具。2018/8/171.二元光学概述l八十年代，各种新型的加工制作方法不 断涌现，能够制作高质量和多功能的衍 射光学元件。随着元件尺寸的缩小，其精细结构 周期
3、可与波长相比较时， 传统的衍射标 量理论不再适用，促使了衍射矢量理论 的发展，极大地推动了衍射光学的发展 。2018/8/171.二元光学概述l 近年来，更高级的设备先进的制作技术正确有效的理论模型设计衍射光学元件的各种方法由此一门新兴的光学分支衍射 光学应运而生，并已成为二十一世纪光 学中的前沿研究领域之一。2018/8/171.二元光学概述l1984年，在美国国防部及空军的支持下 ，启动了一个名叫“二元光学” (binary optics) 的项目，极大地推动了衍射光学 的发展。此后，衍射光学的研究日益活跃。2018/8/171.二元光学概述l从1990年起，美国光学学会年会和国际 光学工
4、程协会设有衍射光学与二元光学 专题讲座和衍射光学专题会议；美国和 欧洲的重要光学杂志分别出版衍射光学 专集。作为一个新学科领域已经形成2018/8/171.二元光学概述l1992年5月美国商业性杂志“ Photonics” 刊登一篇专题文章：“衍射光学大量产 生新一代的产品和拥有数百万美元的市 场”表明：衍射光学产业正在形成Date1.二元光学概述l 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
5、而形成 的前沿交叉学科。Date1.二元光学概述l二元光学技术是利用计算全息方法与大规模集成 电路技术和微细加工技术相结合，从而 在任意片基材料上制作出位相深度为 的多台阶微浮雕结构的衍射微光学元件 ， 是一门新兴的前沿交叉综合学科和 高技术。Date1.二元光学概述l二元光学元件特点以光的衍射为基本原理，具有微型 化、轻型化、可复制、价格低、可设计 产生任意形状的波前、 可把多种功能集 中于一个器件上等其他器件不可比拟的 特点。发展迅猛，成为二十一世纪的前沿 学科。Date2. 二元光学元件的设计方法l二元光学元件示意图Date2. 二元光学元件的设计方法Date2. 二元光学元件的设计方法
6、Date2.二元光学元件的设计方法Date2. 二元光学元件的设计方法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。 在这个过程中将会引进编码噪声 (2) 量化处理 对连续分布的相位进行 分级量化处理。此时又会引起位相量化 噪声。主要有：G-S算法、Y-G算法及 SA(Simulation Annealing)算法。Date3. 二元光学元件的制作方法Date3. 二元光学元件的制作方法Date4. 二元光学元件的应用l 衍射光学元件以其能够灵活的变换波前 、集多种功能于一体和可复制等优良特 性，促使光学系统和器件走向轻型化、 微型化
7、和集成化。这种新型的光学元件 的应用极为广泛。Date4. 二元光学元件的应用l微小光学系统中的微型元件 l光学及神经网络计算、光学平行处理系 统中的光互连元件 l宽场及红外成象系统中的元件 l光学滤波和材料加工系统中的衍射元件 l抗反射和偏振态控制的亚波长光栅结构 l光束整型、光束列阵发生器、微型光通 信Date4. 二元光学元件的应用l外科医疗仪器中的双聚焦内窥透镜 l光盘读出头的 NEC 衍射元件 l能矫正色差畸变的 Redimax 热聚焦透镜l用于材料加工的高效能系列长寿命的 CO2聚焦透镜。Date4.1 光束整形与匀化l CO2 激光在材料加工中的用途之一，是 用于材料的表面热处理
8、。为了使材料表 面各点升温均匀，需要一种光束整形元 件，将高斯型强度分布的激光束转换成 平台型强度分布。 l 传统的折射光学元件唯一有效途径是 ：制作特殊的折射元件，其表面是由对 光束起不同响应作用的许多子区域组成 。这样的元件既复杂又不切合实际。Date4.1 光束整形与匀化l应用二元光学方法： 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。利用这种衍射型光束整形器处理后 的CO2激光光束，可以进行高效而均匀 的表面热处理。Date4.1 光束整形与匀化l高斯光束转化为平台光束示意图 (见下页)Date4.1 光束整形与匀化Date4.2 像差较正He-Ne
9、激光聚焦校正器 l 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。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-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。Date4.2 像差较正He-Ne激光聚焦校正器Date4.2 像差较正He-Ne激光聚焦校正器l衍射光学技术提供了直接巧妙的解决办 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
10、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Date4.2 像差较正He-Ne激光聚焦校正器Date4.2 像差较正白内障病人眼球晶状体替代元件 l 3M公司的工作人员已对患白内障病人 设计了替换眼球晶状体的元件，但此种 手术通常使用的是普通透镜，它们只能 使病人看见较近或较远的物体。 l Date4.2 像差较正白内障病人眼球晶状体替代元件 l为解决这个问题，3M 公司传感器物理 学家 J.Futhey 等在普通透镜表面刻蚀二 元光学元件，当光入射人眼时，二元光 学元件约把一半光线聚焦到视网膜表面 ，另一半聚焦到视网膜内。眼睛和大脑 能
11、把注意力集中在某个焦点而忽视另一 个焦点，从而提供远近图象。用这种方 法，二元光学透镜现已植入 50 多个国 家的几千名病人的眼中。Date4.2 像差较正折衍混合消色差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(如下图所示)。Date4.2 像差较正折衍混合消色差Date4.3 消反射与导膜共振滤波 消反射的衍射元件l 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
12、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 。Date4.3 消反射与导膜共振滤波 消反射的衍射元件l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。Date4.3 消反射与导膜共振滤波导膜共振滤波器平面电介质波导光栅具有导膜共振特 性，已在光电开关、
13、光折变可调谐滤波 器、窄线宽偏振激光等方面获得实际的 应用： l 任意控制并压窄线宽的不变或可调谐的 光谱滤波器 l高效的低能开关转换元件 l集成光学中窄波段光谱选择反射镜 l体光学系统中激光线宽压窄 l高精度传感器Date4.4 光互连l 光学互连元件是将一束激光分裂成一 维或二维光束列阵的衍射光学元件。选 择不同的元件参数即互连程度 (与激光 源相连的探测器数目) 和劈裂比(各劈裂 开光束之间的相对能量比)，可设计出不 同功能的光互连元件。通常有形成均匀 强度分布的光互连元件(例如，多光束发 生器、多光束照明器) 和形成非均匀强 度分布的光互连元件(例 如，高斯扇形 展开分束器)。 Dat
14、e4.4 光互连l目前光互连元件已广泛的应用于光学计 算和平行处理，集成光学，光电开关网 络，以及机器人视觉等领域中。Date4.4 光互连l近年来，随着“信息高速公路”和数字光 学计算机不断的发展，自由空间光互连 引起人们极大的兴趣。PS (Perfect Shuffle)变换作为光互连的基本变换网络 ，可以实现任意变换，因此, 具有重要 意义。Date4.4 光互连l国内外学者提出多种不同实现PS 变换的 方法： l比如，透镜棱镜法、衍射光栅法及全息 光学元件法等。然而，实现这些方法不 同程度的存在许多困难。 l我们提出用计算机制微闪耀光栅列阵实 现PS变换网络的新方法，具有如下特点 ：D
15、ate4.4 光互连l只用一个列阵元件，不需要空间滤波或 复杂的光学装置来实现信号的分割、交 错与倒序； l信号空占比可任意调整； l能量利用率极高； l变换距离短； l输出象是正立的； l极易实现元件微型化和多级互连Date4.4 光互连Date4.5 灵巧扫描Date4.5 灵巧扫描Date4.5 灵巧扫描l 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。灵巧扫描 器的参数可选择如下：微透镜直径为 200m，焦距为990m，相位等级数为8 ， 衍射效率95 %，每个列阵包含约 60000 个微透镜，扫描视场角为11.5 o，扫描速 率为
16、35Hz。Date4.6 激光光盘读出头l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。Date4.6 激光光盘读出头l二元光学元件作为这些器件中的核心元 件-扫描光学元件和读出光学头， 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。Date4.7 二元光学光纤列阵连接器l大多数光纤连接器都是端面对接式,例如 ST(直插)型、BC(双锥) 型、PC(物理接 触)型、FC(面接触)型、SC(直联)型以及 SMA( 通用标准)型等。l我们提出一种二元光学微透镜列阵光纤 连接器，Date4.7 二元光学光纤列阵连接器l由于透镜之间的
