部分刻蚀的相变光学元件制造技术

一种光学元件(透射式或反射式)，包括透射层，该透射层包括两种不同的光学介质，这两种不同的光学介质被布置在沿着层布置的离散块之中。该离散块被布置成接近所期望的相位函数(通常取2π模数)并且该离散块小于工作波长，以便提供所需要的相位延迟的范围以充分地接近所期望的相位函数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】部分刻蚀的相变光学元件优先权声明本申请基于由ThomasW.Mossberg，ChristophM.Greiner和DmitriIazikov于2015年4月15日提交的名为“Partiallyetchedphase-transformingopticalelement(部分刻蚀的相变光学元件)”的第14/687,882号美国非临时申请，并要求享有其优先权，该美国非临时申请通过引用合并到本文，如同在本文中做了充分地阐述。
本专利技术的领域涉及相变光学元件。具体地，在本文中公开了光学元件以及用于制造和使用该光学元件的方法，该光学元件和方法采用经透射或经反射的光信号的依赖于位置的相变。
技术实现思路
专利技术的光学元件包括透射层，该透射层包括第一光学介质和第二光学介质。该第一光学介质和第二光学介质在包括设计真空波长λ0的工作波长范围上是基本透明的，并且该第一光学介质和第二光学介质分别由不同的依赖于波长的第一体积折射率n1(λ)和第二体积折射率n2(λ)来表征。第一光学介质包括基本是固体的材料。第一光学介质和第二光学介质被布置在层中作为连续多个离散块(discretevolume)，该连续多个离散块包括具有约小于λ0的最大横向尺寸的多个块的子集，其中，每个离散块包括第一光学介质或第二光学介质，但不同时包括这两个。将连续多个离散块布置成使得(i)透射层中任何给定的单连通的样本块仅包括第一光学介质，仅包括第二光学介质，或者包括两个或两个以上的离散块的至少一部分的第一光学介质和第二光学介质两者，该样本块具有约等于λ0的横向尺寸并且穿过透射层从第一表面延伸至透射层的第二表面，以及(ii)从透射层的第一表面基本上垂直延伸至透射层的第二表面的任何直线路径仅穿过第一光学介质，仅穿过第二光学介质，或者仅穿过每一第一光学介质和第二光学介质的一个离散块。多个离散块分布在透射层上，使得在沿着透射层的第一表面具有最大横向尺寸约等于λ0的采样区域上取平均的、随沿着透射层的第一表面的二维位置坐轴x和y变化的(2π/λ0)·(n1(λ0)·d1(x,y)+n2(λ0)·d2(x,y))对于透射式光学元件而言基本等于指定的依赖于位置的有效相变函数或者对于反射式光学元件而言基本等于其中，(i)d1(x,y)和d2(x,y)分别是沿着经过给定位置(x,y)的直线路径穿过第一光学介质和第二光学介质的局部距离，以及随x和y而变化。光学元件在结构上被布置成接收入射到透射区域第一表面的光信号，并且透射或反射至少一部分的入射光信号，该至少一部分的入射光信号基本上根据有效相变函数来变换。一种使用专利技术的光学元件的方法，包括：(i)将光信号引导到光学元件的透射层的第一表面上，以及(ii)使至少一部分光信号透射通过所述光学元件或者从所述光学元件反射，该至少一部分光信号基本上根据有效相变函数来变换。一种用于制造该专利技术的光学元件的方法，包括：在空间上选择性地对包括有第一光学介质的层进行处理，以在该层选定的离散块中用第二光学介质代替第一光学介质，从而形成光学元件的透射层。关于相变光学元件的目的和优势将在参照在附图中所阐述的以及在以下书面描述或附属权利要求书中所公开的示例性实施例后而变得明显。本
技术实现思路
提供以一种简单的形式介绍一些概念，进一步的说明将在具体实施方式中描述。本
技术实现思路
不旨在识别所要求保护主题的重要特征或基本特征，也不旨在被用于帮助确定所要求保护的主题的范围。附图说明图1A和图1B分别示意性地示出了示例性透射式光学元件的透射层和示例性反射式光学元件的透射层。图2示意性地示出了示例性透射式光学元件的透射层。图3至图8以及图11至图16示意性地示出了透射式光学元件的各种示例。图9、图10、图17和图18示意性地示出了反射式光学元件的各种示例。图19和图20示意性地示出了用于透射层的两种示例性单元格布置。图21和图22是两种示例性相位函数和其取2π模数的等价函数的绘图。图23和图24示意性地示出了被布置作为透镜的透射层的离散块元件的密度分布。仅示意性地示出了所描述的实施例：所有特征可能不是完整显示或以适当比例显示；为清楚起见，某个特征或结构相对于其他特征或结构可以被夸大；以及附图不应该被认为是等比例的。例如，被描述成具有几个或几十个不同离散块的实际透射层通常可以有在每平方毫米具有成千上万个离散块的区域；为清楚起见，离散块的数目在附图中被简化。此外，每个区段的高度、深度或宽度通常可以相对于例如底部衬底的厚度被夸大。示出的实施例仅是示例：这些实施例不应该被理解为对本公开或附属权利要求书的范围进行限制。具体实施方式各种类型的光学元件通常可以被描述成将一些期望的相变函数施加在通过光学元件传播的光信号上(其中，x和y是在基本横向于光信号的传播方向的方向上沿着光学元件的表面的二维位置坐标)。在透射式光学元件中，相变在单程透射中被赋予；在反射式光学元件中，相变通过具有干涉反射的双程透射被赋予。这种相变函数在文中还可以被称为相移函数、相位延迟函数或相位函数。注意的是，相位延迟是穿过相关光信号波前的相对相位延迟，而不是绝对相位延迟。相变函数的一个示例是形式的线性相变函数，该线性相变函数在不另外改变光信号的空间特性的情况下引起了该光信号的角度偏移(有点类似于折射，偏移方向取决于常数A和B的值)。第二示例是形式的二次相变函数；写成该形式的假定了坐标x和y以为中心，并且旋转以与的主轴一致。二次相变根据常数A和B的符号在相应的横向维度上充当正透镜或负透镜。如果A或B(但A和B不同时)为零，那么相变充当柱面透镜(在近轴极限)。如果A＝B，那么相变充当球面透镜(在近轴极限)。第三示例是形式的角度相变函数，其中，θ通过cosθ＝x/(x2+y2)1/2和sinθ＝y/(x2+y2)1/2与x和y相关并且M是整数。角度相变充当所谓的涡旋透镜，该涡旋透镜可以被用于例如将具有高斯横向剖面的光束转换成具有环形横向剖面的光束。相变函数是可加的，即，相变函数可以是两个(或两个以上)不同的、指定的、依赖于位置的相变函数和的和。在一个这种示例中，可以是二次函数而可以是角度函数；和可以导致例如高斯光束的聚焦并且同时将该高斯光束转换成环形光束，从而在单个光学元件中将球面透镜和涡旋透镜的功能进行结合。可以通过光学元件施加指定的相变函数该光学元件将依赖于位置的相移或相位延迟赋予经透射或经反射的光束。针对包括一组一种或多种光学介质的光学元件，针对给定真空波长λ的相变函数通常可以表示成(针对经透射的光信号)其中，ni(λ)是每种光学介质的折射率以及di(x,y)是信号通过其传播的每种光学介质的局部厚度。针对反射式光学元件，因为光信号传播通过光学介质两次，所以假设背表面反射为在单折射透镜中，使用一种光学介质并且该光学介质的厚度随横向位置而变化。在所谓的梯度折射率元件(例如，梯度折射率(GRIN)透镜)中，折射率随横向位置而变化。一些相变曲线相对而言比较容易通过标准制造技术来产生。例如，球面透镜提供二次相变(在近轴极限)并且易于被制造；GRIN透镜可以很容易地通过光纤段来制造。而其他更多任意相变函数不一定是那么容易产生的。因此期望的是生产具有任意指定的相变函数的光学元件。由于光信号的周期性，所以所有通过2π的整数倍分离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学元件，包括透射层，所述透射层包括第一光学介质和第二光学介质，其中：(a)所述第一光学介质和所述第二光学介质在包括设计真空波长λ0的工作波长范围之上是基本透明的，并且所述第一光学介质和所述第二光学介质分别由不同的依赖于波长的第一体积折射率n1(λ)和第二体积折射率n2(λ)来表征，并且所述第一光学介质包括基本上是固体的材料；(b)所述第一光学介质和所述第二光学介质被布置在所述层内作为连续多个离散块，所述连续多个离散块包括具有小于λ0的最大横向尺寸的多个块的子集，其中，每个离散块包括所述第一光学介质或所述第二光学介质，但不同时包括这两者；(c)将所述连续多个离散块布置成使得：(i)所述透射层的任何给定的单连通样本块仅包括所述第一光学介质，或者仅包括所述第二光学介质，或者包括两个或两个以上所述离散块的至少一部分的所述第一光学介质和所述第二光学介质两者，所述样本块具有约等于λ0的横向尺寸并且通过所述透射层从第一表面延伸至所述透射层的第二表面，以及(ii)从所述透射层的所述第一表面基本上垂直延伸至所述透射层的第二表面的任何直线路径仅穿过所述第一光学介质，或者仅穿过所述第二光学介质，或者仅穿过每一所述第一光学介质和所述第二光学介质的一个离散块；(d)所述多个离散块分布在所述透射层上，使得在沿着所述透射层的所述第一表面具有约等于λ0的最大横向尺寸的采样区域上取平均的、随沿着所述透射层的所述第一表面的二维位置坐标x和y而变化的(2π/λ0)·(n1(λ0)·d1(x,y)+n2(λ0)·d2(x,y))基本等于指定的依赖于位置的有效相变函数...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.15 US 14/687,8821.一种光学元件，包括透射层，所述透射层包括第一光学介质和第二光学介质，其中：(a)所述第一光学介质和所述第二光学介质在包括设计真空波长λ0的工作波长范围之上是基本透明的，并且所述第一光学介质和所述第二光学介质分别由不同的依赖于波长的第一体积折射率n1(λ)和第二体积折射率n2(λ)来表征，并且所述第一光学介质包括基本上是固体的材料；(b)所述第一光学介质和所述第二光学介质被布置在所述层内作为连续多个离散块，所述连续多个离散块包括具有小于λ0的最大横向尺寸的多个块的子集，其中，每个离散块包括所述第一光学介质或所述第二光学介质，但不同时包括这两者；(c)将所述连续多个离散块布置成使得：(i)所述透射层的任何给定的单连通样本块仅包括所述第一光学介质，或者仅包括所述第二光学介质，或者包括两个或两个以上所述离散块的至少一部分的所述第一光学介质和所述第二光学介质两者，所述样本块具有约等于λ0的横向尺寸并且通过所述透射层从第一表面延伸至所述透射层的第二表面，以及(ii)从所述透射层的所述第一表面基本上垂直延伸至所述透射层的第二表面的任何直线路径仅穿过所述第一光学介质，或者仅穿过所述第二光学介质，或者仅穿过每一所述第一光学介质和所述第二光学介质的一个离散块；(d)所述多个离散块分布在所述透射层上，使得在沿着所述透射层的所述第一表面具有约等于λ0的最大横向尺寸的采样区域上取平均的、随沿着所述透射层的所述第一表面的二维位置坐标x和y而变化的(2π/λ0)·(n1(λ0)·d1(x,y)+n2(λ0)·d2(x,y))基本等于指定的依赖于位置的有效相变函数或者基本等于其中，(i)d1(x,y)和d2(x,y)分别是沿着经过给定位置(x,y)的所述直线路径穿过所述第一光学介质和所述第二光学介质的局部距离，以及(ii)随x和y两者而变化；以及(e)所述光学元件在结构上被布置成接收入射到透射区域中所述第一表面上的光信号，并且透射或反射至少一部分所述入射光信号，所述至少一部分入射光信号基本上根据所述有效相变函数来变换。2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述透射层包括d1(x,y)或d2(x,y)基本等于零、但两者不同时等于零的面积区域。3.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述透射层包括：(i)d1(x,y)≠0且d2(x,y)＝0的面积区域，以及(ii)d1(x,y)＝0且d2(x,y)≠0的面积区域。4.根据权利要求2所述的光学元件，其中，在任何给定位置(x,y)处，d1(x,y)或者d2(x,y)基本等于零，但两者不同时等于零。5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学元件，其中，所述透射层具有基本均一的厚度d1(x,y)+d2(x,y)＝D。6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学元件，其中，所述第二光学介质包括基本是固体的材料。7.根据权利要求1至5中任一项所述的光学元件，其中，所述第二光学介质包括真空、气体材料或液体材料。8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学元件，其中，所述第一光学介质或所述第二光学介质包括：(i)固体掺杂或非掺杂的介电材料，(ii)固体掺杂或非掺杂的半导体材料，或者(iii)固体掺杂或非掺杂的聚合物。9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件，还包括抵靠所述透射层的所述第一表面设置的固体衬底或覆盖层，其中，抵靠所述第一表面的所述衬底或者所述覆盖层在所述工作波长范围之上是基本透明的。10.根据权利要求9所述的光学元件，其中，所述透射层包括在抵靠所述第一表面的所述衬底的表面上的表面浮雕结构，其中所述第二光学介质基本填充了所述表面浮雕结构的凹陷区域。11.根据权利要求10所述的光学元件，其中，抵靠所述第一表面的所述衬底包括与所述第一光学介质和所述第二光学介质不同的材料，并且所述表面浮雕结构是在所述衬底上的所述第一光学介质的表面层中形成的。12.根据权利要求10所述的光学元件，其中，抵靠所述第一表面的所述衬底包括与所述第一光学介质相同的材料，并且所述表面浮雕结构是在所述衬底的表面上形成的。13.根据权利要求1至12中任一项所述的光学介质，其中，抵靠所述第一表面的所述衬底或者所述覆盖层包括与所述第一光学介质或所述第二光学介质相同的材料。14.根据权利要求1至12中任一项所述的光学介质，其中，抵靠所述第一表面的所述衬底或者所述覆盖层包括与所述第一光学介质和所述第二光学介质不同的材料。15.根据权利要求1至14中任一项所述的光学元件，其中，抵靠所述第一表面的所述衬底或者所述覆盖层包括：(i)固体掺杂或非掺杂的介电材料，(ii)固体掺杂或非掺杂的半导体材料，或者(iii)固体掺杂或非掺杂的聚合物。16.根据权利要求1至15中任一项所述的光学元件，其中，所述多个离散块分布于所述透射层上，使得在所述透射层的所述第一表面上的具有最大横向尺寸约等于λ0的采样区域上取平均的(2π/λ0)·(n1(λ0)·d1(x,y)+n2(λ0)·d2(x,y))基本等于所述有效相变函数并且所述光学元件在结构上被布置成接收入射到所述透射区域中所述第一表面上的所述光信号，并且被布置成使至少一部分所述入射光信号透射穿过所述第二表面，所述至少一部分入射光信号基本上根据所述有效相变函数来变换。17.根据权利要求16所述的光学元件，其中，所述透射层具有基本均一的厚度d1(x,y)+d2(x,y)＝D，所述厚度基本等于Nλ0/|n1(λ0)-n2(λ0)|，其中，N是非零整数。18.根据权利要求17所述的光学元件，其中，N＝1。19.根据权利要求16至18中任一项所述的光学元件，还包括抵靠所述透射层的所述第二表面设置的固体衬底或覆盖层，其中，抵靠所述第二表面的所述衬底或者所述覆盖层在所述工作波长范围之上是基本透明的。20.根据权利要求19所述的光学元件，其中，所述透射层包括在抵靠所述第二表面的所述衬底的表面上的表面浮雕结构，其中所述第二光学介质基本填充了所述表面浮雕结构的凹陷区域。21.根据权利要求20所述的光学元件，其中，抵靠所述第二表面的所述衬底包括与所述第一光学介质和所述第二光学介质不同的材料，并且所述表面浮雕结构是在所述衬底上的所述第一光学介质的表面层中形成的。22.根据权利要求20所述的光学元件，其中，抵靠所述第二表面的所述衬底包括与所述第一光学介质相同的材料，并且所述表面浮雕结构是在所述衬底的表面上形成的。23.根据权利要求19至22中任一项所述的光学介质，其中，抵靠所述第二表面的所述衬底或所述覆盖层包括与所述第一光学介质...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·W·莫斯伯格，克里斯托夫·M·格雷纳，蒂米特里·艾子孔，
申请(专利权)人：菲尼萨公司，
类型：发明
国别省市：美国,US