一种基于双折射材料的光场调制结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双折射材料的光场调制结构设计方法。该方法主要采用双折射材料来开展结构的设计，利用双折射材料对于o光和e光折射率不同的特点，可以同时对入射光获得两个相位调制量。双折射材料上面结构的高度是采用迭代计算的方法获得的，对每个像素点设置初始高度，然后计算其分别对应的o光和e光的相位调制量，并且与目标相位调制量相比较取绝对差值，以均方根植作为衡量标准，当均方根值最小值确定该点的高度值。对每个像素点逐点计算，获得所有像素点的高度值。利用该方法实现目标光场偏振态和振幅的调控，不需要复杂的光路，并且用一片结构就可以实现对入射光的不同相位调制，同时衍射效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双折射材料的光场调制结构设计方法
本专利技术涉及光场调控的
，具体涉及一种基于双折射材料的光场调制结构设计方法。
技术介绍
衍射光学元件是一种相位调制器件，它主要是通过调节其中结构的高度来实现相位调制的。而其中的台阶高度是通过计算机根据目标光场计算设计获得的，然后通过光刻技术制备而成。衍射光学元件可以用来实现全息成像，聚焦，及光束分割等功能。它有很多传统光学元件所不具备的功能，比如说小型化，集成化等。在传统的衍射光学元件设计中，可以实现将单波长的光在不同的位置处成像，或者多个波长的光在同一个位置处成像。但是，当入射波长是固定的，那么所获得相位调制也是单一的，也就是说只能在固定位置处成单独的像。这种成像方式以及相位调制方式过于简单，难以满足一些特殊应用的要求。鉴于这种情况，研究者们做了一系列的工作来优化衍射光学元件的设计，以使得在单个波长的时候能够获得多种相位调制量。因此偏振调制被引入到衍射光学元件的设计中。在1995年，Xu等人设计了一种结构，实现了两个不同的相位调制量以及水平和垂直方向上不同的像被同时获得，但是其衍射效率非常低。1997年，Nieuborg等人报导了一种采用系数匹配材料设计而获得的衍射元件，提高了其衍射效率，但是系统中包含多种微结构，结构非常复杂，并且矫正误差很难解决。2002年，Yu等人设计并制备了一种相位偏振复合型衍射元件，其中包含了一维和二维的亚波长周期结构，但是其中只是两台阶的结构，效率较低。在2004年，Mark等人报导了一种二维相位选择型衍射元件，其中包含了任意多个相位台阶数。这种方法极大的提高了衍射效率。然而，其结构非常复杂，并且结构中的每个单元中都包含周期性的褶皱，因此非常难以保证其刻蚀深度的精度，对其成像结构造成了极大的影响。随着结构材料的发展，在2006年，Wen等人用手性材料来调节光的偏振态，这样单个波长在同一位置处可以获得不用的像。但是像素的大小只有几百纳米，这种结构只能用电子束直写技术来制备，制作成本高，效率低。因此，如何能够设计一种结构简单，制备方便，衍射效率高的结构成为急待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于双折射材料的光场调制结构设计方法，其设计的结构简单，制备方便，衍射效率高。本专利技术采用的技术方案为：一种基于双折射材料的光场调制结构设计方法，该方法的设计过程包含以下几个步骤：步骤(1)获得目标光场分布；步骤(2)将目标光场分布进行分别为两个相位分布Φ1和Φ2；步骤(3)选择一种双折射材料，其对o光和e光的折射率分别为ne和no；步骤(4)将整个设计区域分为(N,N)个像素；步骤(5)选择第(m,n)个像素点，其中1≤m≤N,1≤n≤N，获得两个相位分布中该像素点的相位值Φ1(m,n)和Φ2(m,n)；步骤(6)根据该点的相位值Φ1(m,n)计算获得该点的初始高度值h1(m,n)；步骤(7)在h1(m,n)上施加一个高度调制量Δh(m,n)，获得此时的高度为h1'(m,n)；步骤(8)利用h1'(m,n)，计算其分别对应的o光和e光的相位调制量，获得两个相位调制量为Φ1'(m,n)和Φ2'(m,n)；步骤(9)将Φ1'(m,n)和Φ2'(m,n)分别与目标相位调制量Φ1(m,n)和Φ2(m,n)相比较取绝对差值，获得等效相位调制量差ΔΦ1'(m,n)和ΔΦ2'(m,n)；步骤(10)计算ΔΦ1'(m,n)和ΔΦ2'(m,n)的均方根值RMS(m,n)；步骤(11)改变高度调制量Δh(m,n)，重复(7)-(10)步骤，直到获得最小的RMS(m,n)；步骤(12)选择此时的h1'(m,n)为该像素处的高度值；步骤(13)选择下一个像素点，重复(5)-(12)步骤，获得所有像素点(N,N)处对应的高度值；步骤(14)设计完成。其中，在步骤(4)中，每个像素点的大小由实际可以加工的最小特征尺寸决定，通常可以为几微米。其中，在步骤(7)和步骤(11)中，所选择的高度调制量Δh1(m,n)的大小需在实际可加工的工艺范围内来选择。其中，在步骤(9)中，所谓的等效相位差是指将相位差进行2π折叠之后的值；本专利技术的有益效果在于：利用该方法实现目标光场偏振态和振幅的调控，不需要复杂的光路，并且用一片结构就可以实现对入射光的不同相位调制以实现光场的目标偏振态和振幅分布，同时衍射效率高。该方法中的相位片制作简单，可通过传统的加工工艺制作得到。该方法对入射光偏振态具有敏感性，当入射光偏振态不同时，其会产生不同的光场。附图说明图1为本专利技术实施例中具体设计过程流程图；图2为本专利技术实施例中目标光场分布示意图；图3为本专利技术实施例中入射光方向与x轴夹角为0°时，应该获得的光场分布；图4为本专利技术实施例中入射光方向与x轴夹角为90°时，应该获得的光场分布；图5为本专利技术实施例中步骤2中所述的将目标光场分割所获得的相位分布1；图6为本专利技术实施例中步骤2中所述的将目标光场分割所获得的相位分布2；图7为本专利技术实施例中步骤13中所述的高度分布。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式详细介绍本专利技术。但以下的实施例仅限于解释本专利技术，本专利技术的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本专利技术权利要求的全部内容。具体实施例中一种基于双折射材料的光场调制结构设计方法，如图1所示。该方法具体步骤如下：步骤(1)该设计过程流程图如图1所示，首先，获得目标光场分布，波长为632nm，成像距离为0.7m。该光场分布中，当入射光偏振方向与x轴夹角为45°时，出射光场为一均匀分布的圆形，如图2所示，当入射光偏振方向与x轴夹角为0°时，应该获得的光场分布如图3所示，当入射光偏振方向与x轴夹角为90°时，应该获得的光场分布如图4；步骤(2)将上述目标光场进行分割，获得两个对应的相位分布，如图5和图6所示；步骤(3)选择双折射材料钒酸钇，其对o光和e光的折射率no和ne分别为1.9929和2.2154；步骤(4)将整个设计区域分成(1024,1024)个像素点；每个像素点大小为8μm；步骤(5)选择第一个像素点，此时相位分布一中对应的相位调制量为Φ1＝1.0824π，相位分布二中对应的相位调制量为Φ2＝1.7176π；步骤(6)首先针对o光来说，利用其折射率1.9929，计算可得对应的光学高度h1为345.5nm；步骤(7)为h1加上相位调制量Δh，Δh＝0.02×n，其中n为选择次数，但是需保证Δh范围在(0～5)μm之间每间隔0.02μm进行选择，得到h1'；步骤(8)对每个h1'，分别计算对应o光和e光的相位调制量Φ1'＝1.0624π和Φ2'＝1.7487；步骤(9)计算获得Φ1'和Φ2'和理论相位调制量Φ1和Φ2的差值，并进行2π折叠，获得等效相位差ΔΦ1'和ΔΦ2'；步骤(10)计算ΔΦ1'和ΔΦ2'的均方根值RMS；步骤(11)重复步骤(7)-(10)，得到最小的RMS值为0.0368，以此时的Δh值作为最终值，此时的Δh值为630.5nm；步骤(12)选择此时的h1'为此像素处的高度值，此时其高度为976nm；步骤(13)选择第二个像素点，重复步骤(4)-(8)，直到(N,N)个像素点计算完毕，获得所有像素点的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双折射材料的光场调制结构设计方法，其特征在于：该方法的设计过程包含以下几个步骤：步骤(1)获得目标光场分布；步骤(2)将目标光场分布进行分别为两个相位分布Φ1和Φ2；步骤(3)选择一种双折射材料，其对o光和e光的折射率分别为n

【技术特征摘要】
1.一种基于双折射材料的光场调制结构设计方法，其特征在于：该方法的设计过程包含以下几个步骤：步骤(1)获得目标光场分布；步骤(2)将目标光场分布进行分别为两个相位分布Φ1和Φ2；步骤(3)选择一种双折射材料，其对o光和e光的折射率分别为ne和no；步骤(4)将整个设计区域分为(N,N)个像素；步骤(5)选择第(m,n)个像素点，其中1≤m≤N，1≤n≤N，获得两个相位分布中该像素点的相位值Φ1(m,n)和Φ2(m,n)；步骤(6)根据该点的相位值Φ1(m,n)计算获得该点的初始高度值h1(m,n)；步骤(7)在h1(m,n)上施加一个高度调制量Δh(m,n)，获得此时的高度为h1'(m,n)；步骤(8)利用h1'(m,n)，计算其分别对应的o光和e光的相位调制量，获得两个相位调制量为Φ1'(m,n)和Φ2'(m,n)；步骤(9)将Φ1'(m,n)和Φ2'(m,n)分别与目标相位调制量Φ1(m,n)和Φ2(m,n)相比较取绝对差值，获得等效相位调制量差ΔΦ1'(m...

【专利技术属性】
技术研发人员：史立芳，王佳舟，曹阿秀，张满，庞辉，邓启凌，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51