專利名稱：陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光光束波 面整形技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于實(shí)現(xiàn)高斯波前和不規(guī) 則波前激光束在遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光場(chǎng)的波前平頂化，即實(shí)現(xiàn)接近于平面波前分布的光場(chǎng)的陣列3 環(huán)2值位相環(huán)勻光器及其制作方法。該種陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器可用于光束整形、 微電子無掩?？涛g和其它需要平面波前的各種光路中。
背景技術(shù)：
通過各種途徑對(duì)于高斯波前和不規(guī)則波前激光束進(jìn)行勻光，使得光束變換成為 接近于平面波前的光束是一個(gè)實(shí)用的課題，在各種光路中都有廣泛的應(yīng)用，比如在光束 整形、微電子無掩?？涛g和其它需要平面波前的各種儀器中。能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能的光學(xué) 器件統(tǒng)稱為勻光器。位相調(diào)制技術(shù)是通過改變衍射光線傳播截面的位相分布從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期衍射光強(qiáng) 分布的技術(shù)。用于進(jìn)行調(diào)制的方法有多種，有固定位相分布的位相板，也有用光電晶體 制成的可由電壓控制位相分布的調(diào)制片。因?yàn)檠苌湮幌喟骞饽艿睦眯首罡?，所以?br> 堂ffl幣川。所謂勻光器，也稱為勻束器，是一種改變?nèi)肷涔馐ㄇ耙詫?shí)現(xiàn)類似平面波前光 束的光學(xué)器件。一般的勻光器包括棱鏡法工作原理為當(dāng)一束光強(qiáng)分布近似高斯函數(shù)的準(zhǔn)平行激光束，通過棱鏡 時(shí)，光束被四面棱鏡分成四束光束，四束光束在X-Y面上疊加后，光束分布均勻性有較 好改善。在X-Y面上的一點(diǎn)的(X，y)，經(jīng)過四面棱鏡后，X-Y面上的光強(qiáng)變化百分比 小于3%，激光傳輸率可達(dá)94%，用棱鏡法可以獲得輸出光束很好的均勻效果和較高的 激光傳輸率，但棱鏡法的均勻效果僅在輸入光束嚴(yán)格對(duì)稱時(shí)才獲得理想的效果，并且獲 得均勻光束截面的位置極嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)于光楔的角度。反射鏡法工作原理為當(dāng)一束光強(qiáng)分布近似高斯函數(shù)的準(zhǔn)平行激光束經(jīng)過透鏡 L1聚焦到反射鏡M1上，經(jīng)過一次反射后，其能量分布將按照?qǐng)D1-2所示發(fā)生光束方向的 改變和能量疊加現(xiàn)象，同樣經(jīng)過透鏡L2和反射鏡M2后，光束將再一次疊加。這樣經(jīng)過 多次的光束疊加后，其初始的高斯光束能量分布將被均勻化。用反射鏡法也可以獲得輸 出光束很好的均勻效果和較高的激光傳輸率，但反射鏡法的裝配和調(diào)試極為困難。萬花筒法工作原理為當(dāng)光強(qiáng)分布為近似高斯分布的入射光以最大入射角θ· 進(jìn)入光波導(dǎo)后，只有和透鏡光軸平行的或和光軸成一較小夾角的光線不經(jīng)過反射直接通 過波導(dǎo)管，其余入射光的光線將在波導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生反射到達(dá)輸出面的不同點(diǎn)上。萬花筒法 制作、裝調(diào)簡(jiǎn)易，成本大大降低，能方便地改變輸出光斑的大小，但此系統(tǒng)的傳輸損耗 較大。柱面鏡法方法原理為由四片柱面鏡圍成一個(gè)中空的方形結(jié)構(gòu)，每片柱面鏡 安裝在一個(gè)精細(xì)調(diào)整架上，通過調(diào)節(jié)可以控制中空部分的尺寸和形狀，激光照射在裝置 上，中空部分激光直接透過，照射在邊緣柱面透鏡上的光將補(bǔ)償?shù)街虚g光的弱光強(qiáng)部分，通過計(jì)算柱面鏡的參數(shù)和適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)整旋鈕，就能得到均光效果，這種方法的優(yōu)點(diǎn) 是光束透過率較高，均光效果較好，但設(shè)計(jì)人員要求較高，設(shè)計(jì)人員需要計(jì)算鏡片參數(shù) 及設(shè)計(jì)高精度的微調(diào)機(jī)構(gòu)。復(fù)眼透鏡列陣法原理為蠅眼透鏡陣列聚光系統(tǒng)光路，由mXm片焦距和尺寸 相同的小透鏡組成的方形透鏡陣列L，透鏡列陣L把入射的準(zhǔn)直光束波面分割成m2束子 光束，在靶面上形成的光強(qiáng)分布實(shí)際是球面聚光鏡將各子光束會(huì)聚在其焦平面上的光強(qiáng) 的積分。使用透鏡陣列聚光系統(tǒng)，即使在入射光束近場(chǎng)分布均勻性很差的情況下，仍然 可以在焦平面上得到均勻的光照效果。陣列勻光器，又稱為陣列勻束器，是基于數(shù)學(xué)積分原理設(shè)計(jì)的，其可將光束分 成無限多個(gè)細(xì)小的光束，每個(gè)細(xì)小的光束內(nèi)部的能量分布是均勻的，將所有的小光束累 計(jì)疊加，就得到了在某一位置能量均勻分布的光斑。[參見，Linying，Lawrence Geoge N，Buck Jesse.Charaterization of excimer lasers for application to lenslet arrayhomogenizer[J], Applied Optics, 2001，49(12) 1931-1941]。陣列勻光器的基本陣列單元可以是透鏡， 即上述的復(fù)眼透鏡陣列法，也可以是菲涅爾波帶片[參見劉勛，陳濤，左鐵釧，應(yīng)用于準(zhǔn) 分子激光波面整形的二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)研究，中國(guó)激光(專刊)，2008年3月。]給定環(huán)形位相環(huán)，其遠(yuǎn)場(chǎng)衍射場(chǎng)光強(qiáng)分布是一個(gè)位相環(huán)各個(gè)半徑和各環(huán)位相的 函數(shù)。采用3環(huán)2值位相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)入射高斯光束的波前平頂化。[參見JiaJia，Changhe Zhou, Xiaohui Sun, and Liren Liu， “Superresolutionlaser beam shaping” , Applied optics, vol 43，No.10，2004], 3環(huán)2值位相環(huán)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為最外環(huán)半徑由實(shí)際光路給 出，內(nèi)1環(huán)半徑為外環(huán)半徑的0.36，內(nèi)2環(huán)半徑為外環(huán)的0.09，內(nèi)環(huán)園和外園環(huán)的位相為 0.9 π，中間環(huán)位相為O。其余的部分不透光。所謂陣列就是重復(fù)這個(gè)3環(huán)2值位相環(huán)的 結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器及其制作 方法，以實(shí)現(xiàn)將高斯光束和其他波前不均勻激光束變換為波前近似平面的衍射光束。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器，該陣列3環(huán)2 值位相環(huán)勻光器是一種在透明介質(zhì)上制造的3環(huán)2值位相環(huán)的陣列，陣列的大小由實(shí)際需 要給出，陣列的大小選擇要能夠使得入射的光束完全被陣列所容納，3環(huán)2值位相環(huán)是該 種陣列型勻光器的基本單元。上述方案中，該3環(huán)2值位相環(huán)是在透明的基片上制造的一個(gè)同心3環(huán)結(jié)構(gòu)的位 相片。最外環(huán)半徑由實(shí)際光路給出，內(nèi)1環(huán)半徑為外環(huán)半徑的0.36，內(nèi)2環(huán)半徑為外環(huán) 的0.09，內(nèi)環(huán)園和外園環(huán)的位相為0.9 π，中間環(huán)位相為0。其余的部分不透光。上述方案中，所謂陣列就是重復(fù)這個(gè)3環(huán)2值位相環(huán)的結(jié)構(gòu)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種制作陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器的方法， 該方法利用大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)和平面光刻工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟利用電子束直 寫法制作出母版；
通過接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學(xué)玻璃上；利用感應(yīng)耦 合等離子刻蝕技術(shù)，將移到光學(xué)玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學(xué)玻璃中。上述方案中，所述通過接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學(xué)玻璃 上的步驟中，所述接觸曝光的復(fù)制誤差小于0.5 μ m，所采用的光刻膠為Shipley sl818， 厚度為1.8 μ m。上述方案中，所述將移到光學(xué)玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學(xué)玻璃中的步驟 中，所采用的刻蝕氣體為三氟甲烷(CHF3),流量為30SCCM，RF功率為500W，偏置功 率為200W，對(duì)石英基底的刻蝕速率為0.077 μ m/min。(三)有益效果本發(fā)明提供的陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器，是基于數(shù)學(xué)積分原理設(shè)計(jì)的，其可將 光束分成無限多個(gè)細(xì)小的光束，每個(gè)細(xì)小的光束內(nèi)部的能量分布是均勻的，將所有的小 光束累計(jì)疊加，就得到了在某一位置能量均勻分布的光斑。該種陣列勻光器的基本單元 3環(huán)2值位相環(huán)，是一個(gè)位相型的衍射元件，它的單獨(dú)功能是實(shí)現(xiàn)入射到其上的光束在遠(yuǎn) 場(chǎng)的波前平頂化，而且入射光束入射到該基本單元后，實(shí)現(xiàn)了光束的再聚焦和遠(yuǎn)場(chǎng)的擴(kuò) 散，從而實(shí)現(xiàn)了陣列器件的勻光，將高斯光束和其他波前不均勻激光束變換為波前近似 平面的衍射光束。


圖1是陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器的基本衍射單元，3環(huán)2值位相環(huán)的示意圖。 圖中深灰色為位相為0.9 π的部分，白色為位相為0的地方，黑色的部分不透光，內(nèi)1環(huán) 的半徑是外環(huán)半徑的0.36倍，最內(nèi)環(huán)半徑是最外環(huán)半徑的0.09倍；圖2是本發(fā)明陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器實(shí)施例之一的IOX 10陣列3環(huán)2值位 相環(huán)勻光器的示意圖，衍射單元是圖1 ；圖3是一束高斯光束入射到陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器的示意圖。圖4是IOX 10陣列菲涅爾波帶片勻光器的示意圖。該種勻光器的基本衍射單元 式菲涅爾波帶片，該種勻光器已公開發(fā)表。本發(fā)明列出這種勻光器的目的是把本發(fā)明的 陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器和陣列菲涅耳波帶片勻光器進(jìn)行對(duì)比，從而證明本發(fā)明的勻光 結(jié)果優(yōu)于陣列菲尼爾波帶片勻光器。圖5是一束高斯光束入射到陣列菲涅爾波帶片勻光器的示意圖。圖6高斯光束不入射到任何勻光器，入射到陣列菲涅爾波帶片勻光器，入射到 陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器的衍射光束的強(qiáng)度對(duì)比圖。從圖中可以明顯看出不入射到 任何勻光器，高斯光束的光強(qiáng)度分布是一條高斯曲線。兩種勻光器都是實(shí)現(xiàn)了對(duì)高斯光 束的勻光，但是本發(fā)明提供的陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器的勻光效果要比現(xiàn)有的陣列菲涅 爾波帶片勻光器的勻光效果要好。因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了更接近于平面波前的衍射光束。圖7是陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。陣列3 環(huán)2值位相環(huán)勻光器是一種新型的衍射光學(xué)位相元件，即位相板。該位 相板放置于衍射極限透鏡之前或之后，對(duì)激光束遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光場(chǎng)進(jìn)行修正，即勻光，實(shí)現(xiàn) 比入射光束不規(guī)則波前(比如高斯光束)更接近于平面波前的衍射光束。本發(fā)明給出了 陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用陣列 3環(huán)2值位相環(huán)勻光器可以實(shí)現(xiàn)高斯光束波前的平頂化，即把高斯光束變換成為波前接近 于平面波前的衍射光束。本發(fā)明技術(shù)可用于光束整形、微電子無掩?？涛g和其它需要平 面波前光束的各種光路中。本發(fā)明提供的這種陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器，是一種在透明介質(zhì)上根據(jù)實(shí)際需 要制造的3環(huán)2值位相環(huán)的陣列，陣列的大小由實(shí)際需要給出。所謂3環(huán)2值位相環(huán)是 該種陣列型勻光器的基本單元。3環(huán)2值位相環(huán)是在透明的基片上制造的一個(gè)同心3環(huán)結(jié) 構(gòu)的位相片。最外環(huán)半徑由實(shí)際光路給出，內(nèi)1環(huán)半徑為外環(huán)半徑的0.36，內(nèi)2環(huán)半徑 是最外環(huán)的半徑的0.09，內(nèi)環(huán)園和外園環(huán)的位相為0.9 π，中環(huán)位相為0。其余的部分不 透光。所謂陣列就是重復(fù)這個(gè)3環(huán)2值位相環(huán)的結(jié)構(gòu)。圖2是本發(fā)明陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器實(shí)施例之一的IOX 10陣列3環(huán)2值位 相環(huán)勻光器的示意圖，衍射單元是圖1;圖中深灰色為位相為0.9 π的部分，白色為位相 為0的地方，黑色的部分不透光，內(nèi)1環(huán)的半徑是外環(huán)半徑的0.36倍，內(nèi)2環(huán)半徑是外環(huán) 的0.09倍；因?yàn)樗形幌喟迳涎苌鋯卧奈幌嘀挥袃蓚€(gè)值，0和0.9π，就叫做陣列3環(huán)二 值位相環(huán)勻光器由衍射光學(xué)角譜的結(jié)論可知設(shè)在ζ = 0平面上引入一個(gè)無窮大的包含有勻光器結(jié)構(gòu)的位相片，理想的高斯 光束照在勻光器上。勻光器的透過率函數(shù)為S (X，y，ζ):高斯光束透過勻光器光強(qiáng)為 E(x, y，0)，經(jīng)過二維空間離散傅里葉變換得到入射光在衍射屏上的角譜F0(fx，fy， 0)。
OO QOE(fx ’ fy，0) = J 少，0) exp[- j2n{fx x + fY y)}ixdy
-co-COCl)在(1)中，fx，fY是空間頻率，fX =7 fY =4 (α，β是波矢r與X軸，Y軸之
Λ jλk
間的夾角)。入射光經(jīng)過勻光器后沿Z方向傳播。在Z = Z處，空間頻率的頻譜E. (fx， fy，ζ)為E{fx JY,ζ) = E{fx, fY,0)exp(;2^ ~- β - fY2 .ζ)
VZ(3)在(3)中，fx fY必須滿足條件玲+ 2γ</λ2，此式表明，傳播一段距離的ζ的效
應(yīng)只是改變了各個(gè)角譜分量的相對(duì)相位。但是當(dāng)時(shí)，空間頻率的頻譜E. (fx， fy，ζ)為E(fx，fY，ζ) = E(fx, fY，0) exp (- μ ζ) (4)
在(4)中，
權(quán)利要求
1.一種陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器，其特征在于，該3環(huán)2值位相環(huán)勻光器是一種在 透明介質(zhì)上制造的3環(huán)2值位相環(huán)的陣列，陣列的大小由實(shí)際需要給出，陣列的大小選擇 要能夠使得入射的光束完全被陣列所容納，3環(huán)2值位相環(huán)是陣列的基本單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器，其特征在于，該3環(huán)2值位相 環(huán)是一個(gè)3環(huán)結(jié)構(gòu)的位相片，外環(huán)的實(shí)際半徑由實(shí)際需要給出，內(nèi)1環(huán)半徑為外環(huán)半徑的 0.36倍，內(nèi)2環(huán)半徑為外環(huán)的0.09倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器，其特征在于，在該3環(huán)2值位 相環(huán)中，內(nèi)環(huán)園和外園環(huán)的位相為0.9 π，中間環(huán)位相為0，其余的部分不透光。
4.一種制作陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器的方法，其特征在于，該方法利用大規(guī)模集成 電路工藝技術(shù)和平面光刻工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括利用電子束直寫法制作出母版；通過接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學(xué)玻璃上；利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕技術(shù)，將移到光學(xué)玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學(xué)玻璃中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作陣列2環(huán)位相環(huán)勻光器的方法，其特征在于，所述通過 接觸式光刻法將母版圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學(xué)玻璃上的步驟中，所述接觸曝光的復(fù) 制誤差小于0.5 μ m，所采用的光刻膠為Shipley sl818，厚度為1.8 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器的方法，其特征在于，所述 將移到光學(xué)玻璃光刻膠上的圖案刻蝕到光學(xué)玻璃中的步驟中，所采用的刻蝕氣體為三氟 甲燒CHF3,流量為30SCCM，RF功率為500W，偏置功率為200W，對(duì)石英基底的刻蝕 速率為 0.077ym/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器，該陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器是在透明介質(zhì)上根據(jù)實(shí)際需要制造的3環(huán)2值位相環(huán)的陣列，陣列的大小由實(shí)際需要給出。所謂3環(huán)2值位相環(huán)是該種陣列型勻光器的基本單元。3環(huán)2值位相環(huán)是在透明的基片上制造的一個(gè)同心3環(huán)結(jié)構(gòu)的位相片。最外環(huán)半徑由實(shí)際光路給出，內(nèi)1環(huán)半徑為外環(huán)半徑的0.36，內(nèi)2環(huán)半徑為外環(huán)的0.09，內(nèi)環(huán)圓和外圓環(huán)的位相為0.9π，中間環(huán)位相為0。其余的部分不透光。所謂陣列就是重復(fù)這個(gè)3環(huán)2值位相環(huán)的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明同時(shí)公開了一種制作陣列3環(huán)2值位相環(huán)勻光器的方法。利用本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高斯光束和其它不均勻非平面波前光束的波前平頂化，實(shí)現(xiàn)接近平面的波前光束。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102023391SQ20091009329
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者劉明, 謝長(zhǎng)青, 賈佳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所