專利名稱：偏振透鏡及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透鏡，特別是一種偏振透鏡及其制備方法，更具體地說，是一種采用位置調(diào)制納米光柵編碼的偏振透鏡。其基本思想是利用光柵的偏振特性，實現(xiàn)偏振分光的功能；利用空間位置移動的位相編碼技術(shù)，實現(xiàn)透鏡的功能。
背景技術(shù)：
透鏡是一種廣泛使用的光學元件。一般來說，透鏡是由玻璃通過研磨和拋光加工而成的具有聚焦功能的球形或者拋物面形的表面。一般來說，透鏡本身并不具有偏振特性。需要使用偏振片、二分之一或者四分之一波片等偏振元件，才能實現(xiàn)對偏振光的控制。
二元光學技術(shù)可以將連續(xù)透鏡的位相函數(shù)離散化，制成叫做菲涅耳波帶片的二元光學元件，以實現(xiàn)聚焦功能。問題是透鏡的連續(xù)的位相函數(shù)很難由有限的位相臺階來實現(xiàn)的，特別是在邊緣處，菲涅耳波帶片的線寬急劇減少，這使得這種菲涅耳波帶片的加工難度很大。菲涅耳波帶片的中心線寬較寬，遠大于波長，而且，一般來說，菲涅耳波帶片是沒有偏振的。
光柵的偏振依賴性取決于光柵的周期。如果光柵的周期遠大于光的波長，則光柵也是沒有偏振依賴性的。光柵的周期和光的波長相接近的光柵，叫做高頻光柵。一般來說，高頻光柵會有強烈的偏振依賴性。本發(fā)明所述的高頻光柵是指光柵周期小于二分之三波長而大于二分之一的波長的光柵。此時，僅有零級光和-1級的衍射光存在。在這種情況下，高頻光柵又有偏振無關(guān)型結(jié)構(gòu)和偏振分光型結(jié)構(gòu)。所謂偏振無關(guān)型高頻光柵就是對于TE(S偏振)/TM(P偏振)兩個偏振方向的光，在-1級次上都具有高的衍射效率；所謂偏振分光型高頻光柵，會表現(xiàn)出偏振的分光性，即一個偏振方向的光在一個方向上傳播，而另一個偏振方向的光在另一個方向上傳播。
本發(fā)明所述的光柵是指偏振分光型高頻光柵中的幾種特殊的光柵，利用這幾種特殊的高頻光柵做為本發(fā)明的載波光柵。但是這幾種高頻光柵本身并不具有聚焦的功能，也就是無透鏡功能。實現(xiàn)本發(fā)明的偏振透鏡還需采用編碼技術(shù)。
空間位置移動的位相編碼技術(shù)，叫做detour phase技術(shù)，這是計算機全息圖的發(fā)明者Lohmann教授最早提出的位相編碼技術(shù)，也就是利用空間位置的移動實現(xiàn)等效位相的編碼技術(shù)。見在先技術(shù)1[A.W.Lohmann，and D.P.Paris，Binary Fraunhofer holograms，generated by computer.Applied Optics，6，1739-1748(1967)]，這個技術(shù)最早是采用黑白象素作為全息編碼單元，不透光的象素吸收大量的光能量，效率低，后來在實際應(yīng)用中，逐漸被二元光學技術(shù)所替代。但是把高頻光柵作為編碼的單元，情況就完全不同了。不論是偏振無關(guān)型還是偏振分光型高頻光柵，都可以實現(xiàn)很高的衍射效率。這個編碼方法適用于偏振分光型，也適用于偏振無關(guān)型。利用偏振無關(guān)型的高頻光柵的這一特性，結(jié)合空間位置移動的位相編碼技術(shù)，周常河最近發(fā)明了納米光柵調(diào)制的計算機全息圖，見在先技術(shù)2[周常河，”納米光柵調(diào)制的全息圖的制備方法”，發(fā)明專利，申請?zhí)?00610028627.3]。利用這個技術(shù)，任意位相的計算機全息圖都可以通過對高頻光柵的位置移動的編碼方法來實現(xiàn)，因此，高效率的計算機全息圖就可以實現(xiàn)，而且是偏振無關(guān)的。在先技術(shù)2給出的編碼方法和實驗結(jié)果證明了光柵的位置移動編碼是完全可行的。但是在先技術(shù)2中僅僅給出了方形象素的二維編碼方法。
偏振分光型的高頻光柵可以通過周期d和深度h優(yōu)化設(shè)計得到，能在零級或負一級次上實現(xiàn)不同的偏振分光，具有很高的衍射效率和偏振分光隔離度。在先技術(shù)周常河，王博，“1550納米波長的石英透射偏振分束光柵”，發(fā)明專利，申請?zhí)?00610023421.1和在先技術(shù)周常河，王博，“1550納米波長的石英反射偏振分束光柵”，發(fā)明專利，申請?zhí)?00610023420.7給出了透射式和背入射反射式兩種亞波長光柵實現(xiàn)偏振分光的結(jié)構(gòu)，特殊的高頻光柵可以很高的衍射效率和很高的隔離度實現(xiàn)偏振分光，但是無法實現(xiàn)聚焦功能。
偏振透鏡是個獨立的光學元件，具有非常廣泛的應(yīng)用價值，有必要給出其制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種偏振透鏡及其制備方法，利用納米光柵的位置編碼技術(shù)，制備高效率的偏振透鏡。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種偏振透鏡，其特點是該偏振透鏡是在菲涅耳波帶片的環(huán)帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)布設(shè)有高頻載波光柵，而且不同圓環(huán)之間的高頻載波光柵有整體的位置移動，成為既具有偏振功能，又有聚焦功能的新的光學元件。
一種偏振透鏡的制備方法，包括下列步驟第一，確定偏振透鏡所使用光的波長λ0和外形幾何尺寸；第二，確定菲涅耳波帶片的圓環(huán)結(jié)構(gòu)；第三，通過嚴格的矢量衍射算法確定高頻載波光柵的周期d和深度h，獲得優(yōu)化的載波光柵；第四，將優(yōu)化的載波光柵和所述的菲涅耳波帶片結(jié)構(gòu)相結(jié)合，計算載波光柵周期在不同圓環(huán)位相處的整體上的平移量Δx(x，y)＝(d/2π)(x，y)式中Δx(x，y)是載波光柵在水平x方向上的平移量，d是光柵的周期，(x，y)是菲涅耳透鏡在x，y處的位相函數(shù)；第五，采用微電子加工裝置，通過合適的刻蝕技術(shù)，加工出具有上述結(jié)構(gòu)的偏振透鏡。
所述的菲涅耳波帶片的圓環(huán)結(jié)構(gòu)為兩個軸向半徑相等的標準圓環(huán)結(jié)構(gòu)，載波光柵周期在不同圓環(huán)位相處的整體上的平移量Δx(r)為Δx(r)＝(d/λ0)(f-(f2+r2)1/2)式中f是透鏡的焦距，r是半徑，λ0是波長。
所述的高頻載波光柵是指光柵周期d小于二分之三波長而大于二分之一的波長λ0的光柵。
所述的第五步制成的偏振透鏡，再鍍上反射膜，形成反射式偏振透鏡。
所述的微電子加工裝置為電子束裝置或聚焦離子束裝置。
下面介紹如何利用載波光柵的多種偏振效應(yīng)制備偏振透鏡的方法。
本發(fā)明的做法是使載波光柵周期在不同圓環(huán)位相處有整體上的平移，如圖1所示。平移量的大小Δx(x，y)決定了所調(diào)制位置區(qū)域內(nèi)位相的大小，Δx(x，y)＝(d/2π)(x，y)(1)式中，Δx(x，y)是載波光柵在水平x方向上的平移量，d是光柵的周期，(x，y)是菲涅耳透鏡在x，y處的位相函數(shù)。
這個公式(1)給出了任意位相調(diào)制的編碼方法，可以設(shè)計x，y兩個軸向半徑相等的圓形，或者x，y兩個軸向半徑不等的橢圓形的任意位相調(diào)制函數(shù)。對于x，y兩個軸向半徑相等的標準圓環(huán)情況，如圖1所示，可以用一個半徑r來表示光柵移動量Δx(r)Δx(r)＝(d/λ0)(f-(f2+r2)1/2)(2)式中f是透鏡的焦距，r是半徑，λ0是波長。利用這個函數(shù)可以完成透鏡的位置移動編碼。公式(2)是對于任意位相函數(shù)的編碼，如圖1所示。對于簡單二值0，π位相編碼，此時，半周期的調(diào)制等效于π位相的調(diào)制，如圖2所示。一般來說，通過位置的移動，可以實現(xiàn)任意位相的調(diào)制。由于位置的調(diào)制幾乎可以任意控制，這樣就可以實現(xiàn)非常高的位相調(diào)制精度。也就是說，只有納米調(diào)制精度的光柵位移，才能實現(xiàn)這樣的等效的任意位相調(diào)制的要求。從目前的技術(shù)水平來看，電子束或聚焦離子束裝置，可以提供納米級的位置控制精度?？梢詫崿F(xiàn)數(shù)字調(diào)制、位置編碼的偏振透鏡。這是一個全新的數(shù)字調(diào)制納米衍射偏振光學元件，它可以在高頻光柵的零級和-1級次上產(chǎn)生不同偏振光的聚焦功能。這樣，至少在原理上，多種偏振透鏡都可以通過這個技術(shù)來實現(xiàn)。
以往的菲涅耳波帶片的各個環(huán)帶內(nèi)是沒有光柵調(diào)制的，也就是各個環(huán)帶內(nèi)是沒有任何調(diào)制的，其位相是一樣的。本發(fā)明采用了光柵的調(diào)制，也就是所有環(huán)帶內(nèi)都有載波光柵；載波光柵是特定優(yōu)化的高頻光柵，可以實現(xiàn)不同的偏振分光特性；每個環(huán)帶內(nèi)光柵的整體移動量和菲涅耳波帶片的位相相對應(yīng)，以此來實現(xiàn)聚焦功能。注意不是任意光柵都可以采用，只有特定的高頻光柵可以實現(xiàn)高效率的偏振分光效應(yīng)，并具有很高的偏振度。無空間位置編碼的光柵沒有聚焦作用。只有滿足公式(1)和(2)所描述的位置編碼光柵的菲涅耳波帶片才可以實現(xiàn)偏振透鏡的工作。更準確地說，只有采用納米數(shù)字位置編碼的光柵，其移動量符合公式(1)或公式(2)，才有可能實現(xiàn)偏振透鏡的功能。
本發(fā)明的技術(shù)效果采用位置移動的編碼技術(shù)，可以應(yīng)用于任何一種載波光柵。載波光柵可以有多種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生不同的偏振效應(yīng)，本發(fā)明制備的偏振透鏡可實現(xiàn)多種偏振分光聚焦的效果。


圖1為本發(fā)明偏振透鏡的任意位相圓環(huán)編碼原理示意圖。
圖2為本發(fā)明偏振透鏡的π位相圓環(huán)編碼原理示意圖。
圖3為本發(fā)明偏振透鏡實施例2，TM(P)偏振光在光柵-1級方向上聚焦示意圖。
圖4為本發(fā)明偏振透鏡實施例3，TE(S)偏振光在光柵-1級方向上聚焦示意圖。
圖5為本發(fā)明實施例4，反射式偏振透鏡的TE偏振光在光柵-1級方向上聚焦的示意圖。
圖6為本發(fā)明實施例5，背入射式偏振透鏡的TM偏振光在光柵-1級方向上聚焦的示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明偏振透鏡的制備方法，包括五個步驟第一，確定偏振透鏡使用光的波長。這一點和傳統(tǒng)的菲涅耳波帶片一樣，偏振透鏡需要在特定的波長下工作，不同的光波長需要采用不同的結(jié)構(gòu)；第二，確定菲涅耳波帶片的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，菲涅耳波帶片圓環(huán)的個數(shù)和尺寸和傳統(tǒng)的菲涅耳波帶片一樣。不同的是傳統(tǒng)的菲涅耳波帶片需要通過不同的位相深度來實現(xiàn)高的效率，偏振透鏡采用的是光柵位置移動編碼控制；第三，選擇優(yōu)化的光柵。這里合適的光柵指的是對于反射式或者透射式，對于任意一種偏振，或者偏振無關(guān)，在任意一種波長下使用，總可以通過嚴格的矢量衍射理論找到優(yōu)化的光柵結(jié)構(gòu)，這種優(yōu)化的光柵就是本發(fā)明的合適的光柵，它可以實現(xiàn)高效率的偏振分光和高的偏振隔離度。
第四，這是本發(fā)明的核心步驟，將優(yōu)化的光柵和菲涅耳波帶片結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過光柵的位置調(diào)制，也就是通過公式(1)或公式(2)，設(shè)計出偏振透鏡的結(jié)構(gòu)。它可以實現(xiàn)反射式或者透射式，對于任意一種偏振聚焦，或者同時對于兩種偏振在一個方向上聚焦。
第五，采用微電子加工技術(shù)，通過合適的刻蝕技術(shù)，加工出這樣的透射式偏振透鏡。
也可以鍍上反射膜，實現(xiàn)反射式的偏振透鏡。
下面是本發(fā)明的幾個實施例實施例1采用光柵的周期為482納米，石英光柵的刻蝕深度為1.92微米，填充因子(線寬/周期)為0.5。用電子束直寫裝置，寫出6個圓環(huán)。采用圖2所示的0，π位相編碼，設(shè)計焦距為10毫米，6個環(huán)的半徑分別為79.5487，137.7824，177.8764，210.4661，238.6462，263.8333。當用氦氖激光器的TE波照明時，如圖3所示，當用TM波照射時，偏振透鏡使得在光柵的-1級方向上實現(xiàn)了聚焦，TE波高效率地出現(xiàn)在光柵的零級上。
實施例2圖3為TM(P)偏振光在光柵-1級方向上聚焦示意圖。對于632.8nm氦氖激光的波長，光柵的周期為482nm，石英光柵的刻蝕深度為1.92微米，填充因子為0.5，采用圖1、圖2的編碼結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)偏振透鏡的功能，實現(xiàn)TM出現(xiàn)在-1級方向上聚焦。載波光柵也可以采用Lalanne等人報道過的偏振光柵，TE出現(xiàn)在零級方向上，TM出現(xiàn)在-1級方向上聚焦，但是所用材料不同，結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，入射角度和填充因子均不同，見在先技術(shù)5，Lalanne，P.，etalJ.Opt.APure Appl.Opt.1，215-219(1999).當然，他們的工作并沒有采用編碼技術(shù)，所以沒有聚焦功能。
實施例3圖4為TE(S)偏振光在光柵-1級方向上聚焦示意圖。該載波光柵可以采用在先技術(shù)3報道的偏振光柵結(jié)構(gòu)，當石英光柵周期為866-912納米，刻蝕深度為1.91-2.0微米，光柵填充因子為1/2，可以實現(xiàn)高效率和高隔離度的偏振分光。采用這個載波光柵的偏振透鏡使得TE偏振光在光柵的-1級上聚焦，TM偏振光在光柵的零級方向上傳播。
實施例4圖5反射式偏振透鏡的TE偏振光在光柵-1級方向上聚焦的示意圖。該載波光柵可以采用Cescato等人報道了反射式的偏振分光光柵，對于氦氖激光的633nm激光，光柵周期為855nm，光柵深度為300nm，填充因子為0.54，TM光出現(xiàn)在入射光的零級方向，效率為85％；TE光出現(xiàn)在-1級方向上，效率為82％。見在先技術(shù)6，L.L.Soares，L.H.Cescato，Applied Optics 40，5906-5910(2001)。采用這個類型光柵作為載波光柵的偏振透鏡，使得TE光沿光柵的-1級方向聚焦，而TM光沿光柵的反射零級方向上傳播。
實施例5圖6背入射式偏振透鏡的TM偏振光在光柵-1級方向上聚焦的示意圖。載波光柵可以采用在先技術(shù)4報道的石英光柵，光柵周期為692-710微米，刻蝕深度為1.98-2.0微米。在背入射方式下，該偏振透鏡會使得TM波聚焦出射在-1級方向上，而TE波出射在零級方向。
值得強調(diào)的是，以上的光柵優(yōu)化結(jié)構(gòu)，對于任意一種波長，都可以通過嚴格衍射矢量理論計算得到。本發(fā)明可以應(yīng)用于任何一種載波光柵，對于任何一種波長的高效率的偏振分光光柵都可以作為本發(fā)明的載波光柵。圖3-6僅僅是其中幾種優(yōu)化偏振分光光柵，本發(fā)明的基本原理適用于所有這些類型光柵，都可以通過優(yōu)化光柵作為載波光柵，利用光柵的高衍射效率和偏振隔離度，實現(xiàn)偏振透鏡功能。
利用納米調(diào)制技術(shù)，在高頻光柵的不同級次上實現(xiàn)了高效率的偏振透鏡，這一點是以往任何透鏡不具備的。采用不同的編碼光柵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同偏振分光透鏡。這種結(jié)構(gòu)可以是透射式，也可以是反射式。由于本發(fā)明是光柵位置移動編碼，可以設(shè)計兩個軸向不同比例的聚焦，用以校正光束的傾斜；也可以設(shè)計拋物面型或其他編碼，以實現(xiàn)更多的象差校正等功能。本發(fā)明是利用納米衍射實現(xiàn)透鏡的新方向，這意味著多種光柵的偏振效應(yīng)都可以用這個方法實現(xiàn)透鏡功能。偏振透鏡的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍之廣，是可以想象的。
權(quán)利要求
1.一種偏振透鏡，其特征在于所述的偏振透鏡是在菲涅耳波帶片的環(huán)帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)布設(shè)有高頻載波光柵，而且不同圓環(huán)之間的光柵有整體的位置移動，既具有偏振功能，又有聚焦功能的新的光學元件。
2.一種偏振透鏡的制備方法，其特征在于包括下列步驟第一，確定偏振透鏡所使用光的波長λ0和外形幾何尺寸；第二，確定菲涅耳波帶片的圓環(huán)結(jié)構(gòu)；第三，通過嚴格的矢量衍射算法確定高頻載波光柵的周期d和深度h，獲得優(yōu)化的載波光柵；第四，將優(yōu)化的載波光柵和所述的菲涅耳波帶片結(jié)構(gòu)相結(jié)合，計算載波光柵周期在不同圓環(huán)位相處的整體上的平移量Δx(x，y)＝(d/2π)(x，y)式中Δx(x，y)是載波光柵在水平x方向上的平移量，d是光柵的周期，(x，y)是菲涅耳透鏡在x，y處的位相函數(shù)；第五，采用微電子加工裝置，通過合適的刻蝕技術(shù)，加工出具有上述結(jié)構(gòu)的偏振透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏振透鏡的制備方法，其特征在于所述的菲涅耳波帶片的圓環(huán)結(jié)構(gòu)為兩個軸向半徑相等的標準圓環(huán)結(jié)構(gòu)，載波光柵周期在不同圓環(huán)位相處的整體上的平移量Δx(r)為Δx(r)＝(d/λ0)(f-(f2+r2)1/2)式中f是透鏡的焦距，r是半徑，λ0是波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏振透鏡的制備方法，其特征在于所述的高頻載波光柵是指光柵周期d小于二分之三波長而大于二分之一的波長λ0的光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏振透鏡的制備方法，其特征在于所述的第五步制成的偏振透鏡，再鍍上反射膜，形成反射式偏振透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5任一項所述的偏振透鏡的制備方法，其特征在于所述的微電子加工裝置為電子束裝置或聚焦離子束裝置。
全文摘要
一種偏振透鏡及其制備方法，該偏振透鏡是在菲涅耳波帶片的環(huán)帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)布設(shè)有高頻載波光柵，而且不同圓環(huán)之間的高頻載波光柵有整體的位置移動，成為既具有偏振功能，又有聚焦功能的新的光學元件。本發(fā)明偏振透鏡的最大優(yōu)點是可以產(chǎn)生連續(xù)位相編碼的高效率的透鏡函數(shù)。本發(fā)明偏振透鏡的功能是現(xiàn)有的單個透鏡所無法實現(xiàn)的。本發(fā)明偏振透鏡實現(xiàn)偏振模式的激光聚焦，是一個新的技術(shù)方向，有重要的應(yīng)用價值。
文檔編號G02B3/00GK101021575SQ20071003825
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者周常河 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所