用于并行激光直写的连续深浮雕谐衍射透镜阵列技术

【摘要】： 激光直写是制作衍射微结构光学元件的重要技术手段之一。随着微结构衍射光学大口径以及阵列化的需求发展,对激光直写写入效率和精度提出了更高的要求。传统激光直写技术采用单点曝光模式,无法实现较高的写入效率,而近年兴起的多点曝光并行激光直写,被认为最有潜力解决上述问题,但目前该技术存在写入分辨力和衍射效率不能兼顾、微透镜阵列聚焦模型不精确、写入光路和检焦光路分离而不能实时同步调焦写入等亟需解决的科学问题和关键技术问题,制约和影响了多点曝光并行激光直写技术的发展。 本课题“用于并行激光直写的连续深浮雕谐衍射透镜阵列技术”研究的主要目的是解决多点曝光并行激光直写写入分辨力和衍射效率不能兼顾、微透镜阵列聚焦模型不精确、写入光路和检焦光路分离而不能实时同步调焦写入等问题,着重以连续深浮雕谐衍射透镜阵列为对象,开展理论描述、建模和实验研究工作,为高效、高分辨力多点曝光并行激光直写方法的研究提供理论依据和先期准备工作。该研究内容在光学传感、光通信、光计算、数据存储、激光医学以及多波段成像和聚焦系统等领域亦具有较高的应用价值。本课题研究的主要内容如下: 为确定微透镜阵列对并行激光直写写入质量的影响规律,基于瑞利-索莫菲衍射理论,首先分析单微透镜非傍轴近似衍射聚焦特性,进而考虑相邻微透镜衍射聚焦的相互影响,建立了微透镜阵列非傍轴近似衍射聚焦模型,在此基础上分析了写入激光垂直入射时微透镜F/#以及中心距对微透镜阵列衍射聚焦的影响规律,为并行激光直写微透镜阵列的设计提供了理论指导。 基于对并行激光直写系统中传统波带片阵列和折射微透镜阵列分辨力与衍射效率固有矛盾的分析,提出了基于连续深浮雕衍射透镜阵列的并行激光直写方法,采用连续浮雕衍射透镜阵列作为并行激光直写的物镜阵列,以兼顾分辨力与衍射效率,同时采用深浮雕结构降低阵列的制作难度,为并行激光直写阵列和系统设计提供一种新的设计方法。 基于对激光直写制作连续浮雕衍射透镜的深度制作误差和卷积效应的分析,建立了由激光直写制作的连续浮雕衍射透镜非傍轴近似衍射聚焦模型,分析了透镜结构参数、写入光斑尺寸和扫描间距以及深度制作误差对透镜衍射聚焦特性的影响,为制作的连续浮雕衍射透镜阵列在并行激光直写中的应用提供了理论依据。 为了实现写入激光和检焦激光同步、同点聚焦,提出了基于谐衍射原理的并行激光直写检焦系统设计方法,对聚焦写入透镜阵列在检焦波长处进行谐衍射设计,使聚焦写入和检焦由同一个衍射透镜阵列实现,并构建了衍射透镜阵列非傍轴近似谐振聚焦模型,进而分析了检焦波长偏差对衍射透镜阵列谐振聚焦特性的影响,为并行直写检焦系统的构建并最终实现实时同步调焦写入提供了有效手段和奠定了理论基础。 最后,利用激光直写分别制作了F/7.5和F/4的连续浮雕衍射透镜阵列,并搭建了衍射透镜阵列聚焦特性测试系统,分别测试了写入激光(波长441.6nm)和检焦激光(波长670nm)入射时制作的透镜阵列的聚焦性能。实验表明,透镜阵列的聚焦特性与理论分析吻合,焦斑直径接近衍射极限值,衍射效率均优于70%,远高于波带片阵列的41%,实现了衍射效率和分辨力兼顾;同时,透镜阵列实现了写入激光和检焦激光同步、同点聚焦。