一种光流集成的宽带、高效率多层衍射光学元件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种光流集成的宽带、高效率多层衍射光学元件及其制备方法，属于功能型光学元件技术领域，通过调整衍射基元的高度及不同材料衍射层的色散匹配，从而实现宽谱高衍射效率的器件结构设计；多层衍射元件的主体部分是光学树脂SU‑8，与之色散匹配的液体是乙二醇。本发明专利技术利用“飞秒激光增材制造”技术制备多层衍射光学元件主体，并通过微流控通道泵入乙二醇液体，最终实现光流集成的宽带高效率的多层衍射光学元件及其制备。本发明专利技术制备的多层衍射光学元件在宽的工作范围下具有较高的衍射效率；相比于传统的折射透镜，多层衍射光学元件具有体积小，重量轻、结构简单、易于制备、易于集成的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种光流集成的宽带、高效率多层衍射光学元件及其制备方法
本专利技术属于功能型光学元件
，具体涉及一种简单、通用的光流集成的宽带、高效率多层衍射光学元件及其制备方法。
技术介绍
透镜是光学系统中最基本的光学元件，不管是宏观光学系统还是集成光学系统都离不开透镜的使用。传统的透镜利用折射来聚焦光线，透镜对光线的聚焦程度取决于透镜的曲率。如果想实现更大的数值孔径，需要提升透镜的厚度才能实现。而衍射光学元件是基于光的衍射理论工作的光学元件，不需要改变结构厚度，只需要改变结构周期就可以获得更大的数值孔径。因此衍射光学元件在降低传统透镜的厚度和重量，提高系统集成程度方面具有重要意义。衍射光学元件实际上是利用光栅的分光作用，将入射光波的能量分配到不同衍射级次的焦点上。通常设计衍射光学元件的一级衍射作为主衍射级次。其中能够有效利用的只有主衍射级次的光，其他级次的光会成为杂散光。理论上把主衍射级次的能量E1占入射光波总能量E的比率称作衍射效率。对于连续表面的衍射光学元件，在设计的波长位置，理论衍射效率可以达到100％。但是衍射光学存在致命的缺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光流集成的宽带、高效率多层衍射光学元件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：/n(1)、多层衍射光学元件的参数计算；/n多层衍射光学元件的参数计算包括材料色散曲线的拟合以及多层衍射结构高度的计算；/n具体步骤如下：/nA、材料色散曲线的拟合：/n通过结构主体材料以及色散匹配溶液材料在不同波长下的折射率分布的图表，提取图表中的原始数据并使用常用的Schott色散方程进行曲线拟合，最终得到材料色散曲线：/nn(λ)

【技术特征摘要】
1.一种光流集成的宽带、高效率多层衍射光学元件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、多层衍射光学元件的参数计算；
多层衍射光学元件的参数计算包括材料色散曲线的拟合以及多层衍射结构高度的计算；
具体步骤如下：
A、材料色散曲线的拟合：
通过结构主体材料以及色散匹配溶液材料在不同波长下的折射率分布的图表，提取图表中的原始数据并使用常用的Schott色散方程进行曲线拟合，最终得到材料色散曲线：
n(λ)2＝α0+α1λ2+a2λ-2+α3λ-4+α4λ-6+α5λ-1(1)
其中，n(λ)为材料在不同波长下的折射率，λ为光波长，α0-5为对应的色散系数；
B、多层衍射结构高度的计算：
根据标量衍射理论，单层衍射元件的相位变化量为：



其中，为器件的相位变化量，λ为光波长，n(λ)为材料在不同波长下的折射率，H为衍射结构的高度；
则多层衍射元件的相位变化量为：



其中，d1、d2和d3是不同层的衍射结构的高度，n1(λ)、n2(λ)和n3(λ)是材料在不同波长下的折射率，它们的值通过拟合得到的Schott色散曲线公式(1)计算得到；
为了实现入射光波长为λ时精确闪耀，则设器件的相位变化量为2π，设多层衍射光学元件的宽带工作范围为λ1-λ2时，可以从拟合曲线中得到两种材料
在波长为λ1以及λ2时的折射率，然后将材料折射率带入公式(3)中得到：



通过解方程组得到每层衍射结构的高度值d1、d2和d3，高度值的正负代表锯齿的不同朝向，根据多层衍射光学元件每层衍射结构的高度，锯齿朝向以及器件半径得到多层衍射元件的表面轮廓信息；
(2)、多层衍射元件理论衍射效率的计算；
具体步骤如下：
在确定多层衍射元件的材料组成以及每层衍射结构的高度后，通过公式计算器件在宽带下的衍射效率，连续表面的单层衍射元件的衍射效率计算公式为：



其中，ηm(λ)代表器件衍射效率，m代表衍射级次，d代表衍射结构高度，λ为光波长，n(λ)为材料在设计波长下的折射率。
根据多层衍射元件的相位高度计算公式(3)，多层衍射元件的衍射效率计算公式为：



其中，ηm′(λ)代表多层器件衍射效率，m代表衍射级次，λ为光波长，d1、d2和d3是不同层的衍射结构的高度，n1(λ)、n2(λ)和n3(λ)是材料在不同波长下的折射率，根据多层衍射元件的效率计算公式，计算多层衍射元件在宽带下的不同级次的衍射效率；
(3)、三维加工点云数据的获取；
具体步骤如下：在完成多层衍射光学元件器件的参数计算及衍射效率的计算后，根据计算得到的器件的表面轮廓的高度信息，然后再通过MATLAB、C++或VisualBasic编程语言，编写转换程序将器件的表面轮廓信息转换成加工系统可识别加工的三维点云数据，以(x，y，z)的数据格式导出到预先命名好的Txt文本中，以便于后期加工使用；
(4)、飞秒激光直写制备多层衍射元件；
飞秒激光直写制备多层衍射元件包括三部分，分别是样品的前期准备、飞秒激光增材制造以及器件的后烘、显影与干燥；
具体步骤如下：
首先，样品的前期准备：将显微镜盖玻片放入超声机中，超声清洗10-30min，去除玻璃片表面的大尺寸玻璃碎屑和灰尘颗粒；在使用丙酮和无水乙醇浸泡的棉球依次擦拭后，使用去离子水反复冲洗玻璃片表面，去除玻璃片表面残留的无水乙醇后，放在真空干燥箱中干燥；在清洗干净的盖玻片表面滴上光学树脂；将样品片放在加热台上前烘，前烘后在室温环境下冷却；
其次，飞秒激光增材制造：将准备好的样品片放置到振镜基飞秒激光直写加工系统中，在该加工系统中，由光纤飞秒激光振荡器产生的飞秒脉冲激光依次通过衰减片和光闸，经过反射镜反射后通过扩束系统，光束尺寸扩大后的激光束通过扫描振镜控制光束偏转角度，然后由4F光学系统将激光束的角度偏转投影到物镜入瞳处，由高数值孔径物镜将入射光紧聚焦到加工样品内部，配合位移台的移动，从而实现三维扫描；同时，由照明光源、长波通滤光片、以及成像CCD...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙洪波，胡志勇，田振男，陈岐岱，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22