[發明專利]一種基于雙折射材料的光場調制結構設計方法

有效

• 申請號: 201710227825.0
• 申請日: 2017-04-10
• 公開（公告）號: CN106842563B
• 公開（公告）日: 2019-03-05
• 發明（設計）人: 史立芳;王佳舟;曹阿秀;張滿;龐輝;鄧啟凌
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B5/18;G02B5/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于雙折射材料的光場調制結構設計方法。該方法主要采用雙折射材料來開展結構的設計，利用雙折射材料對于o光和e光折射率不同的特點，可以同時對入射光獲得兩個相位調制量。雙折射材料上面結構的高度是采用迭代計算的方法獲得的，對每個像素點設置初始高度，然后計算其分別對應的o光和e光的相位調制量，并且與目標相位調制量相比較取絕對差值，以均方根植作為衡量標準，當均方根值最小值確定該點的高度值。對每個像素點逐點計算，獲得所有像素點的高度值。利用該方法實現目標光場偏振態和振幅的調控，不需要復雜的光路，并且用一片結構就可以實現對入射光的不同相位調制，同時衍射效率高。

技術領域

本發明涉及光場調控的技術領域，具體涉及一種基于雙折射材料的光場調制結構設計方法。

背景技術

衍射光學元件是一種相位調制器件，它主要是通過調節其中結構的高度來實現相位調制的。而其中的臺階高度是通過計算機根據目標光場計算設計獲得的，然后通過光刻技術制備而成。衍射光學元件可以用來實現全息成像，聚焦，及光束分割等功能。它有很多傳統光學元件所不具備的功能，比如說小型化，集成化等。

在傳統的衍射光學元件設計中，可以實現將單波長的光在不同的位置處成像，或者多個波長的光在同一個位置處成像。但是，當入射波長是固定的，那么所獲得相位調制也是單一的，也就是說只能在固定位置處成單獨的像。這種成像方式以及相位調制方式過于簡單，難以滿足一些特殊應用的要求。鑒于這種情況，研究者們做了一系列的工作來優化衍射光學元件的設計，以使得在單個波長的時候能夠獲得多種相位調制量。因此偏振調制被引入到衍射光學元件的設計中。在1995年，Xu等人設計了一種結構，實現了兩個不同的相位調制量以及水平和垂直方向上不同的像被同時獲得，但是其衍射效率非常低。1997年，Nieuborg等人報導了一種采用系數匹配材料設計而獲得的衍射元件，提高了其衍射效率，但是系統中包含多種微結構，結構非常復雜，并且矯正誤差很難解決。

2002年，Yu等人設計并制備了一種相位偏振復合型衍射元件，其中包含了一維和二維的亞波長周期結構，但是其中只是兩臺階的結構，效率較低。在2004年，Mark等人報導了一種二維相位選擇型衍射元件，其中包含了任意多個相位臺階數。這種方法極大的提高了衍射效率。然而，其結構非常復雜，并且結構中的每個單元中都包含周期性的褶皺，因此非常難以保證其刻蝕深度的精度，對其成像結構造成了極大的影響。隨著結構材料的發展，在2006年，Wen等人用手性材料來調節光的偏振態，這樣單個波長在同一位置處可以獲得不用的像。但是像素的大小只有幾百納米，這種結構只能用電子束直寫技術來制備，制作成本高，效率低。

因此，如何能夠設計一種結構簡單，制備方便，衍射效率高的結構成為急待解決的問題。

發明內容

本發明要解決技術問題為：克服現有技術的不足，提供一種基于雙折射材料的光場調制結構設計方法，其設計的結構簡單，制備方便，衍射效率高。

本發明采用的技術方案為：一種基于雙折射材料的光場調制結構設計方法，該方法的設計過程包含以下幾個步驟：

步驟(1)獲得目標光場分布；

步驟(2)將目標光場分布進行分別為兩個相位分布Φ1和Φ2；

步驟(3)選擇一種雙折射材料，其對o光和e光的折射率分別為n_e和n_o；

步驟(4)將整個設計區域分為(N,N)個像素；

步驟(5)選擇第(m,n)個像素點，其中1≤m≤N,1≤n≤N，獲得兩個相位分布中該像素點的相位值Φ1(m,n)和Φ2(m,n)；

步驟(6)根據該點的相位值Φ1(m,n)計算獲得該點的初始高度值h1(m,n)；

步驟(7)在h1(m,n)上施加一個高度調制量Δh(m,n)，獲得此時的高度為h1'(m,n)；