一种用于设计衍射光栅结构的方法和衍射光栅结构技术

根据本发明专利技术，提供了用于设计衍射光栅结构（１）的方法，该结构的光栅周期（ｄ）包括至少两条光栅刻线，每条光栅刻线由一对相邻的柱（２）和刻槽（３）组成，该方法包括如下步骤：确定衍射级的期望衍射效率ηｄ，以及使柱（２）和刻槽（３）形成所需尺寸，以便当根据沿着该柱传播的基波模式的有效折射率ηｅｆｆ为每个柱计算通过光栅结构传播的光所经历的相移Φ时，相邻柱之间的所计算的相移中的差相应于期望衍射效率所需要的相位剖面Φｒ。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及衍射光栅结构的设计程序和衍射光栅结构，中心在于依赖于光栅性能的波长。
技术介绍
衍射光栅是在各种应用中实现有效的光控制的微光学中的重要部件。 一些典型应 用包括，例如将光耦合到波导或光导中并从波导或光导耦合出，将光束转换为更宽的光束 或几个子光束，以及对激光束的最初非最佳几何结构整形。 尽管有效光栅结构的设计和制造在持续发展，但仍然存在一个严重问题。在表面 起伏(surface relief)和体积光栅中，通过光栅结构传播的光经历与ngh/A成比例的相 移，其中ng是光栅材料的折射率，h是光栅结构的厚度，A是波长。因此，在光栅之后的场 的相位强烈地依赖于入射波长。因为相位在衍射现象中起主要作用，当根据所设计的光栅 结构改变波长时，这导致衍射效率的快速改变。 在一些特定的情况下，波长相关性能够被具有作为波长的函数而增加的折射率的 光栅材料降低到一定程度。然而，通常的情况是，现有技术中没有已知的用于控制衍射光栅 的波长响应的普遍适用的解决方案。 专利技术目的 本专利技术的目的是提供一种用于设计在大波长范围上具有被控制的波长响应的衍 射光栅结构的方法。另一目的是提供这种光栅结构。 专利技术概述 本专利技术的用于设计衍射光栅结构的方法和衍射光栅结构的特征分别在权利要求l 和权利要求6中提出。 本专利技术的方法集中于衍射光栅结构，其中光栅周期包括至少两条光栅刻线，每条 光栅刻线由一对相邻的柱(Pillar)和刻槽(groove)组成。这些种类的多刻线周期基本上 已经为人所知数十年，且显示这种光栅结构的有效性和通用性的一篇论文例如由Saarinen 等人在Applied Optics (1995)第34巻第2401-2405页发表。 根据本专利技术，该方法包括如下步骤-确定期望的衍射性能，也就是，衍射级的期望衍射效率nd，以及-使柱和刻槽形成所需尺寸，以便当根据沿着该柱传播的基波模式的有效折射率nrff为每个柱计算通过光栅结构传播的光所经历的相移①时，相邻柱之间的所计算的相移的差相应于期望衍射效率所需要的相位剖面(phase profile)确定期望衍射效率nd包括选择光应在哪个衍射级中衍射以及应按哪个相对比例衍射。最简单的情况自然是将所有的衍射光集中到第一衍射级中，但是仅作为一个实施 例，目标也可以是在九个衍射级内的相等的强度。然后，对于本领域技术人员来说是标准惯 例，从期望衍射效率通过FFT (快速傅立叶变换)来计算实现该衍射性能所需要的相位剖面Or。 当光在由彼此接近的相邻的柱组成的结构中传播时，光被限制到具有更高的折射率的区域中。因此我们可忽视柱之间的区域的影响，以及通过考虑在具有较高折射率的柱 内的光传播，可控制光栅的响应。 在使柱和刻槽形成所需尺寸的步骤，本专利技术的核心原理是将光栅周期的每个柱看 作平面波导。在波导内光以波导模式的形式传播，这些波导模式具有不同的横向分布。每个模式也具有不同的传播速度，该传播速度能够通过用光速除以模式的有效折射率、ff来计算，也就是，c = c。/ nrff。如果波导的厚度大约为波长，则只有被称为基波模式的最低级 的波模式具有重要性，因此限定了当光沿柱传播时经历的相移。因此，最低模式的有效折射 率控制光在每个柱中的行为，并可用来分析光在结构中的行为。本专利技术是基于波导的有效 折射率依赖于波导尺寸的事实。因此，柱的有效折射率以及因此光栅的全部性能可通过调 整光栅周期的柱和刻槽的尺寸来控制。 自然，有效折射率也是与波长相关的，且光在柱的长度中经历的总相移也是这样。 然而，现在专利技术人已经发现，通过适当地选择柱和刻槽的尺寸以及因此选择有效折射率，控 制不同柱之间的相差以及因此控制光栅的波长响应是可能的。控制波长响应的这个能力对 于衍射光栅的整个
而言是重大的一步。两个相邻柱之间的所计算的相移①的差与所需要的相位剖面曲线①r的相应性意味着，所述差实质上等于在实质上与所述柱的位置重合的位置处的所需要的相位剖面曲 线的两个点之间的相差。 在本专利技术的一种优选实施方式中，当确定期望衍射效率nd实质上在从a工到入2的波长范围恒定时，柱和刻槽形成所需尺寸，以便产生在该波长范围内实质上恒定的在相邻柱之间的所计算的相移①中的差。具有有效折射率nrff的高度为h的一个柱的所计算的相移是①=nrffh2Ji/A。于是相等高度的两个柱之间的相差是AO = (Anrff)h2Ji/ 入。因此，通过选择有效折射率可将相移A①设置为恒定的，以便它们的差Anrff与波长 入成比例。当寻找实质上恒定的衍射效率时，任何两个相邻的柱的所计算的相移的差的最 小值优选地是最大值的至少80%，更优选地是最大值的至少90%。可用本专利技术的这个实施 方式达到的实质上平坦的波长响应在许多应用中非常有利。 在本专利技术的另一优选实施方式中，确定期望衍射效率nd具有非恒定的波长响应， 并使柱和刻槽形成所需尺寸，以便在几个波长^处产生相邻柱的所计算的相移①的差和期望衍射效率所需要的相位剖面^^之间的所述相应性。当衍射级的期望衍射效率nj衣赖于波长时，对于每个波长入i分别有这些衍射效率所需要的特定的相位剖面①"通过在 几个波长产生所述相应性，使光栅结构实现期望的非恒定衍射性能。处理的波长越多，实现 的光栅的最终性能就越准确地遵循期望衍射效率。本专利技术的这个实施方式的一个非常有利 的特征是大体上能够获得衍射性能的任何波长响应。 在一种优选实施方式中，确定期望衍射效率nd的非恒定波长响应，以便实质上补偿在包括光源和衍射光栅的光学系统中的光源的光谱。例如，在包括热光源如灯泡的系统 中，为了给照明提供强度的平坦波长响应，补偿光源的固有的普朗克强度分布是有利的。另 一方面，例如在一些照明应用中，衍射光栅之后的期望光谱可以是依赖于强度的日光式波 长，然后应相应地选择期望衍射效率。 注意到以上解释的波导相似性和所述计算的结果并非在所有情况下完全准确是很重要的。实际上，例如柱越窄，所作出的假定和进一步计算的结果就越不准确。依靠电磁衍射理论可以更准确地计算衍射性能，以获得可靠的结果。然而，使用电磁理论，我们不能 得到封闭形式的结果，且也不能直接从所需要的光栅相位曲线求解光栅结构剖面。为了解 决这个问题，在本专利技术的一种实施方式中，该方法进一步包括参数优化的步骤，其中在有效 折射率r^f的基础上计算的柱和刻槽的尺寸被用作优化程序的起始点。为了给优化提供起 始点，在大多数情况下，波导模拟方法是描述满足期望的光栅性能所需要的结构的十分正 确的方式。在最终的优化步骤，也可考虑制造工艺所设定的光栅几何结构中的可能的限制。 本方法的衍射光栅结构包括至少两条光栅刻线，每条光栅刻线由一对相邻的柱和 刻槽组成。根据本专利技术，柱和刻槽的尺寸使得当根据沿着该柱传播的基波模式的有效折射 率r^f为每个柱计算通过光栅结构传播的光所经历的相移①时，相邻柱之间的所计算的相 移中的差相应于衍射级的预先确定的期望衍射效率nd所要求的相位剖面①r。换而言之， 两个相邻的柱的所计算的相移中的差实质上与所需要的相位剖面的两点之间的相差相同， 所述点在相应于柱位置的位置处被选择。以上解释了关于本专利技术的方法的有效折射率方法 的原理。 在本专利技术的一种优选实施方式中，预先确定的期望衍射效率nd本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，其用于设计衍射光栅结构（１），所述结构的所述光栅周期（ｄ）包括至少两条光栅刻线，每条光栅刻线由一对相邻柱（２）和刻槽（３）组成，所述方法特征在于，所述方法包括如下步骤：－确定衍射级的期望衍射效率η↓［ｄ］，以及－使所述柱（２）和刻槽（３）形成所需尺寸，以便当根据沿着所述柱传播的基波模式的有效折射率η↓［ｅｆｆ］为每个柱计算通过所述光栅结构传播的光所经历的相移Φ时，相邻柱之间的所计算的相移中的差相应于所述期望衍射效率所需要的相位剖面Φ↓［ｒ］。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯瓦里尤斯，胡海皮耶塔里宁，P拉科南，
申请(专利权)人：纳诺科普有限公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]