二元光学元件加工

xlens · 发表于 2003-4-18 04:20:00

二元光学在光学设计方面的有很大的应用价值，有没有圈内的人介绍以下国内外的发展状况。

xyqy · 发表于 2003-4-23 00:02:00

  光学是一门古老的科学。自伽利略发明望远镜以来，光学已走过下几百年的漫长道路。60年代激光的出现，促进了光学技术的迅速发展，但基于折反射原理的传统光学元(器)件，如透镜、棱镜等人都是以机械的铣、磨、抛光等来制作的，不仪制造工艺复杂，而且元件尺寸大、重量大。在当前仪器走向光、机、电集成的趋势中，它们巳显得臃肿粗大极不匹配。研制小型、高效、阵列化光学元件已是光学界刻不容缓的任务。
  80年代中期，美国MIT林旨实验宰威尔得坎普(Veldkamp)领导的研究组在设计新型传感系统中，率先提出了“二元光学”的概念，他当时描述道：“现在光学有一个分支，它几乎完全不同于传统的制作方式，这就是衍射光学，其光学元件的表面带有浮雕结构；由于使用了本来是制作集成电路的生产方法，所用的掩模是二元的，且掩模用二元编码形式进行分层，故引出了二元光学的概念。”随后二元光学不仅作为一门技术，而且作为一门学科迅速地受到学术界和工业界的青睐，在国际上掀起了一股二元光学的研究热潮。二元光学元(器)件因其在实现光波变换上所具有的许多卓越的、传统光学难以具备的功能，而有利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化，开辟了光学领域的新视野。
  关于二元光学概念的准确定义，至今光学界还没有统一的看法，但普遍认为，二元光学是指基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成(VLSI)电路制作工艺，在片基上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。它是光学与微电子学相互渗透与交叉的前沿学科。二元光学不仅在变革常规光学元件，变革传统光学技术上具有创新意义，而且能够实现传统光学许多难以达到的目的和功能，因而被誉为“90年代的光学”。它的出现将给传统光学设计理论及加工工艺带来一次革命。
  二元光学元件源于全息光学元件(HOE)特别是计算全息元件(CGH)。可以认为相息图(Kinoform)就是早期的二元光学元件。但是全息元件效率低，且离轴再现；相息图虽同轴再现。但工艺长期未能解决，因此进展缓慢、实用受限。二元光学技术则同时解决了衍射元件的效率和加工问题。它以多阶相位结构近似相息图的连续浮雕结构。
  二元光学是微光学中的一个重要分支。微光学是研究微米、纳米级尺寸的光学元器件的设计、制作工艺及利用这类元器件实现光波的发射、传输、变换及接收的理论和技术的新学科。微光学发展的两个主要分支是：(1)基于折射原理的梯度折射率光学，(2)基于衍射原理的二元光学。二者在器件性能、工艺制作等方面各具特色。
  可以看出光学和电子学的发展都基于微细加工的两个关键技术：亚微米光刻和各向异性刻蚀技术。微电子学推动了二元光学学科的发展，而微电子工业的进步则得益于光刻水平的提高。此外，二元光学技术的发展又将促进微电子技术的发展与提高。例如，目前在大规模集成电路的制作中所采用的移相模版和在制作光纤光栅中所用的相位模版也都是建立在二元光学的基础上的。

xyqy · 发表于 2003-4-23 00:03:00

  二元光学校术一经提出就吸引了—些技术发达国家的注目，引起了各研究机构、大学及工业界的极大兴趣，并被MII林肯实验室称为振兴和发展美国光学工业的主要希望，可见其在整个光学领域的意义。二元光学能获得如此迅速的发展，除由于具有体积小、重量轻、容易复制等显而易见的优点外，还由于具有如下许多独特的功能和特点。
一、高衍射效率
  二元光学元件是一种纯相位衍射光学元件，为得到高衍射效率，可做成多相位阶数的浮雕结构。一般使用N块模版可得到L(＝2N)个相位阶数，其衍射效率为：v＝|sin(n/L)/(n/L)|2。由此计算，当L＝2、4、8和16时，分别有V＝40.5％、81％、94.9％和98.6％。利用亚波长微结构及连续相位面形，可达到接近100％的效率。
二、独特的色散性能
  在—般情况下，二元光学元件多在单色光下使用。但正因它是一个色散元件，具有不同于常规元件的色散特性，故可在折射光学系统中同时校正球差与色差，构成混合光学系统，以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能，再利用表面上的浮雕相位波带结构校正像差。这一方法已用于新的非球面设计和温度补偿等技术中。
三、更多的设计自由度
  在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过改变曲面的曲率或使用不同的光学材料校正像差，而在二元光学元件中，则可通过波带片的位置、槽宽与槽深及槽形结构的改变产生任意波面，大大增加了设计变量，从而能设计出许多传统光学所不能的全新功能光学元件，这是对光学设计的一次新的变革。
四、宽广的材料可选性
  二元光学元件是将二元浮雕面形转移至玻璃、电介质或金属基底上，可用材料范围大；此外，在光电系统材料的选取中，—些红外材料如ZnSe和Si等，由于它们有一些不理想的光学特性，故经常被限制使用，而二元光学技术则可利用它们并在相当宽广的波段作到消色差；另外，在远紫外应用中，可使有用的光学成像波段展宽1000倍。
五、特殊的光学功能
  二元光学元件可产生一般传统光学元件所不能实现的光学波面，如非球面、环状面、锥面和镯面等，并可集成得到多功能元件；使用亚波长结构还可得到宽带、大视场、消反射和偏振等特性；此外，二元光学在促进小型化、阵列化、集成化方面更是不言而喻了。

xyqy · 发表于 2003-4-23 00:05:00

  80年代中期，美国国防部领先科研项目处(DARPA)对MIT林肯实验守资助了名为“二元光学”的项目，其研究目标为：
  (1)发展一种基于微电子制作工艺的光学技术，用以节约资金和劳动力，获取在设计和材料选择上更多的自由度，并开发新的光学功能元件；
  (2)推动光电系统整体的计算机辅助设计；
  (3)在美国工业界广泛应用衍射光学技术。
  进入90年代，随着微细加工技术的发展，以及为了得到高衍射效率的二元光学元件，其浮雕结构从两个台阶发展到多个台阶，直至近似连续分布，但由于其主要的制作方法仍基于表面分步成形技术，每次刻蚀可得到二倍的相位阶数，故仍称其为二元光学，而且往往就称为衍射光学。
  二元光学除在美国MIT林肯实验室开展外，美同的圣迭戈加利福尼亚大学分校李星海教授(S.H.Iee)也建立了计算全息与二元光学研究小组，并具有良好的设备条件，编制了通用设计软件，制作了许多高性能的二元光学元件；原美国ATT实验室AlanHuang小组的居尔根(Jurgen)博士还提出一种二元光学平面光学处理系统。此外，美国JPL喷气动力试验室和布朗、Perkin—Elmer、杠邦等公司都有二元光学元件研究成果及产品。加拿大国家光学实验室(NOL)也将衍射光学元件作为重点研究方向。德国的爱尔兰根(Erlangen)大学研究了制作二元光学元件的各种工艺方法，爱森(Essen)大学较早开展计算全息工作的布灵达尔(Bringhdal)教授，目前也在开展二元光学的研究。俄罗斯的西伯利亚电工研究所，已经研制了氦镉激光直写机床、制作了多种相息图及二元光学
元件。瑞士、日本等国的一些高校与研究所也相继开展了这一领域的工作。
  近几年国际上召开的许多重要光学学术会议，二元光学的论文显著增加。许多重要的光学杂志也开辟有关二元光学的专集。如1990年11月召开的美国光学学会年会上，安排了“二元光学的理论与设计”的专题讲座；另外美国光学学会分别于1992年4月、1994年6月和1996年4月连续召开三次衍射光学(二元光学)专题会议。同时1992年5月美国商业性杂志《光子集锦》(PhotonicsSpectra)刊登了激光电子学与光学会议(CLEO)上的一篇专题文章，其醒目的标题为“衍射光学大量产生新一代的产品并拥有数百万美元的市场”，这篇文章着重报道了衍射光学元件的新产品和它们的应用；该杂志又在1994年1月的“全球技术预测”专栏内的一篇文章中报道了衍射光学技术已经走出实验室，进入了可以解决实际问题的产品市场，二元光学元件可望在许多新的光学系统中变成标准光学元件。由此可见，二元光学不仅有许多基础理论和应用方面的学术研究价值，而且一开始就具有广阔的市场潜力。
  其他重要的光学杂志中，欧洲的《现代光学杂志》(J．Modern Optics)和美国的《应用光学》(Applied Optics)在1993年4月和5月分别出版了衍射光学的专集，共收集了几十篇研究论文，分别介绍了衍射光学系统和元件的设计、制作及应用。

optionbeam · 发表于 2003-4-26 06:22:00

我中心有极坐标激光直写技术和工艺以及衍射效率测量仪器,有兴趣可与我联系:lwl719@hotmail.com

xyqy · 发表于 2003-4-26 18:25:00

可否介绍一下你的中心以及目前的技术水平？

optionbeam · 发表于 2003-4-27 05:03:00

光栅刻线1000/mm,制作直径可大200mm,激光束斑直径0.8um,在铬膜和光刻胶上制作二元图形,也可制作连续图形.

DOE · 发表于 2003-4-28 19:06:00

对数据文件的格式,大小和图形的形状,大小有何要求?基版质量如何?刻蚀精度能达到多高?收费多少?

optionbeam · 发表于 2003-4-29 05:16:00

只要能提供基本数据诸如各园环的半径等我们可以编译成激光直写设备所用数据格式,也可提供要求,我们进行设计,图形形状直线,园环,椭圆等等都可以刻写,一般尺寸不要超过100mm左右为宜,尺寸过大,数据量增加非常大,所以刻写时间相应就增加.基版使用标准的半导体工艺领域使用的模版即可.目前,我中心仅设计和制作掩模版.收费便宜,协商确定(主要根据要求所定).

xyqy · 发表于 2003-4-29 17:43:00

说一下你中心的名字和制作掩模版的一般收费，比如4”版，数据量不是很大的版子，多少时间可以完成，收费多少？
我经常会有一些版子需要在外面加工。

optionbeam · 发表于 2003-4-30 06:02:00

请将您的要求发:0931-8265391(传真).罗先生收.如果数据量不大,且是圆对称的话,加工时间短,一般不超过一星期就可交货.
中心名称:航天奥特克光学薄膜与微加工中心.电话:13993185235或0931-8267121-5320

guangqiao · 发表于 2003-10-18 23:01:00

thanks

二元光学元件加工