一种高效率衍射透镜制造技术

本发明专利技术公开了一种高效率衍射透镜，包含透镜体和透镜面，所述透镜面由多个按照菲涅耳区构成，所述菲涅耳区的高度按照从中心到边缘的顺序依次降低，所述菲涅耳区的宽度按照从中心到边缘的顺序依次减少；本发明专利技术提供的一种高效率衍射透镜相比常规衍射透镜，能够确保经过透镜调制的光线在轴上焦点位置产生严格的干涉叠加效应，具有比常规衍射透镜更高的峰值光强、聚焦效率、更小的光斑尺寸，且实际聚焦位置更接近理论上的预定聚焦位置，具有更好的聚焦成像质量。

【技术实现步骤摘要】
一种高效率衍射透镜
本专利技术涉及衍射透镜
，特别是指一种高效率衍射透镜。
技术介绍
衍射光学元件具有体积小、重量轻、制造成本低、较高的衍射效率、特殊的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材料可选性等独特的优势，是微型光学系统中的重要组成部分，也在激光束聚焦、光耦合、波前复用、光学传感、光存储等诸多领域中有广泛的应用前景。现有技术中，在设计衍射透镜时，通常采用等高模型设计，即将折射透镜中超过2π相位的部分去掉，形成最大相位差为2π的常规衍射透镜。如图1所示，为常规衍射透镜的透镜面边界示意图，其中x轴和y轴方向如图所示，z轴垂直于x-y平面，z轴正方向定义为垂直于x-y平面向外，虚线代表折射透镜的边界，实线代表常规衍射透镜的边界，所述常规衍射透镜可认为由所述折射透镜中去除超过2π相位的部分得到。所述常规衍射透镜的孔径为D，关于y轴对称，且在z轴方向为任意长度。所述常规衍射透镜的边界将整个空间分成了上下两个部分：上半部分为折射率为n1的电介质，下半部分为折射率为n2的另一种电介质，波长为λ的TE(TransverseElectrowaves，电场的振动方向垂直于波传播方向的电磁波)偏振的平面波沿-y轴方向入射到所述常规衍射透镜的边界上，经过所述常规衍射透镜的边界的相位调制后，聚焦于y轴上的一点(0,-f)，其中f表示透镜的预定焦距。根据现有技术，可以得出常规衍射透镜在第m个菲涅耳区内的边界高度hF(x)为：hF(x)＝Mod[hr(x)，Δh]＝hr(x)-|m|Δh，m＝0，±1，±2，...其中，第0个菲涅耳区为中央菲涅耳区，第1和第-1个菲涅耳区分别为中央菲涅耳区右侧和左侧的第一个菲涅耳区，依次类推；Mod[A，B)＝A-Int[A/B]×B表示取余函数；Int[A/B]表示取整函数，A和B均为整数；m表示在-D/2≤x≤D/2内菲涅耳区的序数，对应于波长为λ的入射光在2π相位时的调制厚度；hr(x)为折射透镜的边界高度，可表示为：所述常规衍射透镜的第m个菲涅耳区跳变位置处的横坐标可表示为：可以看出，常规衍射透镜在每个菲涅耳区内的最大高度相等。尽管对于平行于光轴的平面波来说，相邻菲涅耳区之间的跳变高度对应2π的相位差，但是对于焦点来说，相邻菲涅耳区之间的跳变相位差就不再是2π，这种按照传统的等高模型设计衍射透镜在焦点处将不能形成最佳的干涉叠加效应。特别地，对于焦距越小的透镜，由于傍轴近似不再成立，菲涅耳区的数目很多，衍射透镜的聚焦性能将急剧下降。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种高效率衍射透镜，能够在聚焦位置处产生严格的干涉叠加效应，具有比现有的衍射透镜更高的聚焦效率和聚焦分辨率。基于上述目的本专利技术提供的一种高效率衍射透镜，包含透镜面和透镜体，所述透镜面由多个菲涅耳区构成，所述菲涅耳区的高度按照从中心到边缘的顺序依次降低，所述菲涅耳区的宽度按照从中心到边缘的顺序依次减少，相邻的两个所述菲涅耳区之间的跳变相位差为2π。可选地，所述一种高效率衍射透镜为柱状菲涅耳透镜，所述一种高效率衍射透镜的透镜面由多个左右对称的菲涅耳区构成，所述一种高效率衍射透镜在第m个菲涅耳区内横坐标为x的位置的边界高度hm(x)满足：其中，n1为所述一种高效率衍射透镜的折射率，n2为所述一种高效率衍射透镜外的电介质材料的折射率，f为预定焦距，λ为入射光波长；所述一种高效率衍射透镜的第m个菲涅耳区的跳变点的位置满足：其中，n1为所述一种高效率衍射透镜的折射率，n2为所述一种高效率衍射透镜外的电介质材料的折射率，f为预定焦距，λ为入射光波长。可选地，所述一种高效率衍射透镜为圆形菲涅耳透镜，所述一种高效率衍射透镜的透镜面由一系列共圆心的圆环状菲涅耳区构成，所述一种高效率衍射透镜在第m个菲涅耳区内横坐标为x的位置的边界高度hm(r)满足：其中，n1为所述一种高效率衍射透镜的折射率，n2为所述一种高效率衍射透镜外的电介质材料的折射率，f为预定焦距，λ为入射光波长；所述一种高效率衍射透镜的第m个菲涅耳区的跳变点的位置满足：其中，其中，n1为所述一种高效率衍射透镜的折射率，n2为所述一种高效率衍射透镜外的电介质材料的折射率，f为预定焦距，λ为入射光波长。可选地，所述一种高效率衍射透镜的外形根据实际需要进行设置，包括柱状菲涅耳透镜、圆形菲涅耳透镜或其他形状。可选地，所述一种高效率衍射透镜的材料为光刻胶。从上面所述可以看出，本专利技术提供的一种高效率衍射透镜相比常规衍射透镜，通过对各菲涅耳区的边界进行不等高的设计，使得相邻的两个菲涅耳区之间的跳变相位差为2π，从而确保经过透镜调制的光线在轴上焦点位置产生严格的干涉叠加效应，具有比常规衍射透镜更高的峰值光强、聚焦效率、更小的光斑尺寸，且实际聚焦位置更接近理论上的预定聚焦位置，具有更好的聚焦成像质量。附图说明图1为常规衍射透镜的透镜面边界示意图；图2为本专利技术实施例1一种高效率衍射透镜立体示意图；图3为本专利技术实施例1一种高效率衍射透镜的透镜面边界示意图；图4为本专利技术实施例2一种高效率衍射透镜与常规衍射透镜的透镜面边界轮廓对比示意图；图5为常规衍射透镜光强度分布图；图6为本专利技术实施例2一种高效率衍射透镜光强度分布图；图7为本专利技术实施例2一种高效率衍射透镜与常规衍射透镜在焦平面上的光强分布对比图；图8为本专利技术实施例2一种高效率衍射透镜与常规衍射透镜在光轴上的光强分布对比图；图9为本专利技术实施例3一种高效率衍射透镜与常规衍射透镜的测试平台示意图；图10为本专利技术实施例3一种高效率衍射透镜的焦平面光强分布图；图11为本专利技术实施例3常规衍射透镜的焦平面光强分布图；图12为本专利技术实施例3一种高效率衍射透镜与常规衍射透镜在焦平面上的光强分布对比图；图13为本专利技术实施例3一种高效率衍射透镜与常规衍射透镜在光轴上的光强分布对比图；图14为本专利技术实施例4一种高效率衍射透镜立体示意图；图15为本专利技术实施例4一种高效率衍射透镜径向纵切剖面示意图；图16为本专利技术实施例4一种高效率衍射透镜的径向纵切剖面透镜面边界示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。实施例1：本专利技术实施例1提供一种高效率衍射透镜，所述一种高效率衍射透镜设置为柱状菲涅耳透镜，如图2所示，为本专利技术实施例1一种高效率衍射透镜立体示意图，所述一种高效率衍射透镜包含透镜体2和透镜面1，透镜面1由多个左右对称分布的菲涅耳区构成，所述多个菲涅耳区的高度按照从中间到两边的顺序依次降低，所述多个菲涅耳区的宽度按照从中间到两边的顺序依次减少。如图3所示，为本专利技术实施例1一种高效率衍射透镜的透镜面边界示意图，其中，x轴和y轴方向如图所示，z轴垂直于x-y平面，z轴正方向定义为垂直于x-y平面向外，虚线代表折射透镜的边界，实线代表所述一种高效率衍射透镜的边界。所述一种高效率衍射透镜关于y轴对称，且在z轴方向为任意长度，所述一种高效率衍射透镜的边界高度为hm(x)。所述一种高效率衍射透镜的边界将整个空间分成了上下两个部分：上半部分为折射率为n1的电介质，即所述一种高效率衍射透镜的折射率为n1；下半部分为折射率为n2的另一种电介质，即所述一种高效率衍射透镜外的电介质折射率为n2，波长为λ的TE本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效率衍射透镜，其特征在于，所述一种高效率衍射透镜包含透镜面和透镜体，所述透镜面由多个菲涅耳区构成，所述菲涅耳区的高度按照从中心到边缘的顺序依次降低，所述菲涅耳区的宽度按照从中心到边缘的顺序依次减少，相邻的两个所述菲涅耳区之间的跳变相位差为2π。

【技术特征摘要】
1.一种高效率衍射透镜，其特征在于，所述一种高效率衍射透镜包含透镜面和透镜体，所述透镜面由多个菲涅耳区构成，所述菲涅耳区的高度按照从中心到边缘的顺序依次降低，所述菲涅耳区的宽度按照从中心到边缘的顺序依次减少，相邻的两个所述菲涅耳区之间的跳变相位差为2π。2.根据权利要求1所述的一种高效率衍射透镜，其特征在于，所述一种高效率衍射透镜为柱状菲涅耳透镜，所述一种高效率衍射透镜的透镜面由多个左右对称的菲涅耳区构成，所述一种高效率衍射透镜在第m个菲涅耳区内横坐标为x的位置的边界高度hm(x)满足：其中，n1为所述一种高效率衍射透镜的折射率，n2为所述一种高效率衍射透镜外的电介质材料的折射率，f为预定焦距，λ为入射光波长。3.根据权利要求1或2所述的一种高效率衍射透镜，其特征在于，所述一种高效率衍射透镜的第m个菲涅耳区的跳变点的位置满足：其中，n1为所述一种高效率衍射透镜的折射率，n2为所...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶佳声，冯胜飞，张岩，李烨，赵欢，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11