纳米光栅调制的计算机全息图的制备方法技术

一种纳米光栅调制计算机全息图的制备方法，包括如下步骤：根据计算机全息图的理论，通过傅里叶变换方法，对任意目标物体进行优化计算得到其位相分布；利用高密度光栅的位置移动方法对所述的位相分布进行位置编码；利用具有纳米精度的电子束，加工出具有所述的位置编码的高密度光栅模板；根据高密度光栅模板，对光栅槽型进行优化设计和加工，得到高效率的纳米光栅调制计算机全息图。本发明专利技术的最大优点是可以产生连续位相编码的高效率的计算机全息图，这是以往的计算机全息图所无法实现的。本发明专利技术是数字纳米衍射技术实现控制激光远场模式的一个新的技术方向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算全息图，特别是一种，所述的纳米光栅调制的计算机全息图是指高密度光栅以纳米精度的空间位置进行编码调制以实现等效的位相调制的计算机全息图，其中高密度光栅的周期和深度优化设计和加工，能在一个级次上实现很高的衍射效率。位置编码实现计算机全息图的位相调制，因此能够高效率实现计算机全息图。
技术介绍
计算机全息图是由计算机生成，独立调制每个单元的振幅或位相分布，从而实现控制激光的期望分布的光学元件。计算机全息图已经成为非常重要的一个光学元件。通过傅里叶变换和优化算法，几乎任意复杂的光分布都可以用计算机全息图从理论上得到。由于效率的原因，一般更关心位相型的计算机全息图。任意位相，或叫连续位相的衍射光学元件可以由二元光学工艺制造。利用二元光学的工艺，位相的实现是通过刻蚀的深度来实现的。连续位相的物理实现意味着要连续精确控制刻蚀的位相深度，这是非常困难的。由于二元光学工艺的特点，比较容易得到二个台阶的位相，通过套刻工艺可以实现四个台阶，八个台阶等位相。有限的位相台阶数将降低最终计算机全息图衍射效率。以往的计算机全息图还有一个重要的限制，就是加工线宽的宽度。一般来讲，线宽越宽就越容易加工，宽的线宽可能远远大于所用的波长。这样，其远场的衍射能量就集中在中心零级的附近。采用宽的线宽的计算机全息图会有多个衍射级次，多级的衍射分散了能量，因此，很难实现特别高效率的计算机全息图。当加工的线宽减少，例如，在一个微米左右，此时，由于套刻误差的限制，多台阶的加工几乎不可能。如何在线宽接近光波波长的情况下，实现高效率的计算机全息图，是一个非常有意义的课题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要克服上述在先技术的困难，提供一种，该计算机全息图应该具有较高的衍射效率，给出一条在线宽接近光波波长的情况下，实现高效率的计算机全息图的技术路线。所述的纳米光栅调制的计算机全息图是指高密度光栅以纳米精度的空间位置进行编码调制以实现等效的位相调制的计算机全息图，本专利技术的技术解决方案如下一种纳米光栅调制计算机全息图的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤①根据计算机全息图的理论通过傅里叶变换方法对任意目标物体进行优化计算得到其位相分布；②利用高密度光栅的位置移动方法对所述的位相分布进行位置编码；③利用具有纳米精度的电子束，加工出具有所述的位置编码的高密度光栅模板；④根据高密度光栅模板，对光栅槽型进行优化设计和加工，得到高效率的纳米光栅调制计算机全息图。所述的高密度光栅的位置移动方法为沿光栅垂直方向上移动的位置编码，或沿光栅水平方向上移动的位置编码。所述的高密度光栅系采用干法深刻蚀的透射式高密度光栅，或利用多层介质膜方法制备的反射式高密度光栅。从目前的技术水平来看，电子束或者叫做聚焦电子束装置，可以提供纳米级的位置控制精度。这样，就可以实现数字调制、位置编码的计算机全息图。这是一个全新的数字调制纳米衍射光学元件的方向，它可以在原始高密度光栅的-1级次上产生完整的全息图。这样，至少在原理上，任意图案的计算机全息图都可以通过这个技术来实现。附图说明图1是本专利技术纳米光栅调制计算机全息图的制备方法——垂直方向上的高密度光栅位置移动的编码示意图。图2是由位置编码实现任意位相计算机全息图的编码原理图。图3是本专利技术纳米光栅调制计算机全息图的制备方法——水平方向上的光栅位置移动的编码示意4是纳米位置调制的高密度光栅产生4×6阵列的实验原理5是在高密度光栅的-1级次产生了4×6阵列的实验结果。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术技术的原理如图1，图2和图3所示。图1是本专利技术纳米光栅调制计算机全息图的制备方法——垂直方向上的高密度光栅位置移动的编码示意图。图2是由位置编码实现任意位相计算机全息图的编码原理图。图3是本专利技术纳米光栅调制计算机全息图的制备方法——水平方向上的光栅位置移动的编码示意图本专利技术的编码方法是使基本光栅周期在不同的编码位置上作相应的平移。平移的大小决定于所调制位置区域内位相的大小，高密度光栅的位置移动等效于位相的大小。任意位相编码的高密度光栅调制的计算机全息图可以通过不同位置的移动来实现。半周期位置的移动等效于π位相的调制，就可以实现0位相区和π位相区。通过位置编码，可以实现任意位相的大小。光栅的基本周期为d，深度为h，基本光栅周期d和深度h的选择，通过严格耦合波的矢量衍射算法确定，使得-1级次上的衍射效率为最大，见图4。有关高效率衍射光栅和光栅周期和深度的关系，见在先技术1，周常河和张妍妍的“高密度矩形深刻蚀石英光栅”，专利技术专利，申请号200410017063.4。高效率高密度光栅的加工可以采用干法刻蚀工艺，特别是石英光栅可以采用高密度等离子刻蚀来实现。在先技术2报道了高密度等离子刻蚀设备加工石英光栅的优化刻蚀工艺条件。Shunquan Wang，Changhe Zhou，Huayi Ru，Yanyan Zhang，“Optimized condition for etching fused silica phase gratings withinductively coupled plasma technology”，Applied Optics 44，4429-4434(2005)。也就是说，深刻蚀工艺加工高效率的高密度石英光栅是完全可行的，理论上衍射效率可以达到95％。当然，利用多层介质膜方法可以制备高效率的反射式高密度光栅。反射式高密度光栅的衍射效率也可以做到95％左右。本专利技术可以适用于透射式，也可以适用于反射式，编码道理是完全一样的。这样，通过位置的移动，就可以实现任意位相。由于位置的调制几乎可以是任意控制，这样就可以实现非常高的位相调制精度。也就是说，通过纳米调制精度的光栅位移，可实现任意的位相的调制。本专利技术利用先进的电子束直写装置，采用上述的高密度光栅的纳米位置调制技术，实现了位相编码的计算机全息图，用以生成4×6的阵列。其中4×6达曼光栅的原始数据来源于在先技术3，周常河等人于1995年在Applied Optics上发表的论文，“Numerical study of Dammann arrayilluminator”，Appl.Opt.34，5961-5969(1995)。虽然数据来自这篇论文，但其位相的实现方式采用的是图1，图2，图3的编码方式，也就是说，利用位置的编码，实现位相的调制。利用图4的实验装置，在高密度光栅的-1级次上实现了高效率的计算机全息图，4×6阵列的实验结果如图5所示。这个实验充分地说明采用纳米调制技术在高密度的-1级次上可以实现计算机全息图，这一点是以往任何计算机全息图所不具备的。采用这种位移编码技术，可以实现几乎所有的传统的计算机全息图。由于编码位相的连续性，可以实现高效率的计算机全息图。采用干法深刻蚀技术，可以将几乎所有的能量转移到计算机全息图中。采用这个技术，以往全息图所难以避免的零级谱点对加工误差的敏感性，从理论上讲，可以通过本专利技术的位置编码技术完全消除，因此，可以实现以往全息图所很难实现的高信噪比、高效率的衍射分布，这是数字编码、纳米衍射光学元件的新方向，其应用领域和范围之广，是可以想象的。本专利技术纳米光栅调制计算机全息图的制备方法，包括如下步骤1、根据计算机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米光栅调制计算机全息图的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：①根据计算机全息图的理论通过傅里叶变换方法对任意目标物体进行优化计算得到其位相分布；②利用高密度光栅的位置移动方法对所述的位相分布进行位置编码；③ 利用具有纳米精度的电子束，加工出具有所述的位置编码的高密度光栅模板；④根据高密度光栅模板，对光栅槽型进行优化设计和加工，得到高效率的纳米光栅调制计算机全息图。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周常河，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]