專利名稱：具有聚焦能力的非周期性光柵反射鏡及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實(shí)施例涉及光學(xué)裝置，具體地涉及亞波長(zhǎng)光柵反射鏡。
背景技術(shù)：
在20世紀(jì)90年代初人們就認(rèn)識(shí)到介質(zhì)光柵中的諧振效應(yīng)對(duì)自由空間的光學(xué)濾波和檢測(cè)具有應(yīng)用前景。諧振效應(yīng)通常發(fā)生在亞波長(zhǎng)光柵中，其中一級(jí)衍射模不是對(duì)應(yīng)于自由傳播的光而是對(duì)應(yīng)于在一些介質(zhì)層中捕獲的導(dǎo)波。所捕獲的波在零衍射級(jí)中被重新散射，并與入射光相互作用，以產(chǎn)生透射和反射的顯著調(diào)制。當(dāng)使用高指數(shù)對(duì)比光柵時(shí)，導(dǎo)波被迅速散射且在橫向傳播的并不遠(yuǎn)。因此，諧振特性可為相當(dāng)寬的頻帶并具有高的角度公差，這已經(jīng)用于設(shè)計(jì)新型高反鏡。近來，亞波長(zhǎng)光柵鏡已用于替代垂直腔面發(fā)射激光器中頂 部介質(zhì)堆棧，并應(yīng)用于新型微機(jī)電裝置中。除了更加緊湊以及制造相對(duì)便宜外，亞波長(zhǎng)光柵鏡還提供偏振控制。雖然近幾年在亞波長(zhǎng)光柵方面已有ー些進(jìn)展，但設(shè)計(jì)者、制造者以及光學(xué)裝置的使用者仍在尋求可拓寬光柵應(yīng)用的可能范圍的光柵改迸。


圖I示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例配置的亞波長(zhǎng)光柵的等軸測(cè)圖。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的配置有一維光柵圖案的亞波長(zhǎng)光柵的光柵層的俯視圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的來自兩個(gè)分離的光柵子圖案的線條顯示反射光所獲得的相位的截面圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的來自兩個(gè)分離的光柵子圖案顯示波前如何變化的線條的截面圖。圖5示出了由根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所配置的光柵圖案產(chǎn)生的示例性相變等值線圖的等軸測(cè)圖。圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例被配置為將入射光聚焦到焦點(diǎn)的亞波長(zhǎng)光柵的側(cè)視圖。圖6B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例被配置并作為發(fā)散鏡工作的亞波長(zhǎng)光柵的側(cè)視圖。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所配置的亞波長(zhǎng)光柵的反射率和相移相對(duì)于一入射光波長(zhǎng)范圍的圖。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例獲得的作為周期和占空比的函數(shù)的相位變量的相位等值線圖。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于產(chǎn)生其中允許周期和占空比改變的光柵圖案的控制流程圖。圖IOA示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例被配置為作為聚焦柱面鏡工作的ー維亞波長(zhǎng)光柵的俯視圖。圖IOB示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例沿圖IOA中所示的線10B-10B截取的亞波長(zhǎng)光柵的截面圖。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例確定的柱面鏡的目標(biāo)相變的示例性圖。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的占空比的圖。圖13示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的產(chǎn)生聚焦亞波長(zhǎng)光柵柱面鏡的光柵圖案的方法的控制流程圖。圖14示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例被配置為作為聚焦球面鏡工作的一維亞波長(zhǎng)光柵的俯視圖。
圖15示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的球面鏡的目標(biāo)相變的示例性圖。圖16示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的產(chǎn)生聚焦亞波長(zhǎng)光柵球面鏡的球面鏡光柵圖案的方法的控制流程圖。圖17示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所配置的計(jì)算裝置的示意圖。圖18A示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例被配置為將垂直入射的光反射到特定方向的一維亞波長(zhǎng)光柵的俯視圖。圖18B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例工作的沿圖18A中所示的線18B-18B截取的亞波長(zhǎng)光柵的截面圖。圖19A示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例被配置為作為沿平行于X方向偏振的入射光的發(fā)散柱面鏡工作的一維亞波長(zhǎng)光柵的俯視圖。圖19B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例沿圖19A所示的線19B-19B截取的亞波長(zhǎng)光柵的截面圖。圖20示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所制作的平面亞波長(zhǎng)光柵鏡、柱面亞波長(zhǎng)光柵鏡以及球面亞波長(zhǎng)光柵鏡的光束分布和反射光束半徑。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例涉及可被配置為作為鏡和其它光學(xué)裝置工作的平面亞波長(zhǎng)介質(zhì)光柵(SWG)。SWG由兩層構(gòu)成。光柵層可布置在基板的表面上，其中光柵層由折射率相對(duì)高于基板的折射率的材料制成，或光柵層可簡(jiǎn)單地制作在懸浮膜中，而無需基板。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例配置的SWG具有包括相前控制的新功能。這可通過將具有光柵圖案的光柵層配置為控制從SWG反射的光的相變而基本上不影響SWG的高反射率來實(shí)現(xiàn)。在特定實(shí)施例中，光柵層可被配置為使得SWG可作為任意類型的具有任意反射面的光學(xué)裝置工作。具體地，SWG的光柵層可被配置為具有使SWG可作為柱面鏡或球面鏡工作的光柵圖案。本發(fā)明實(shí)施例還包括利用常規(guī)的光刻和蝕刻技術(shù)圖案化光柵層以產(chǎn)生被反射的光束在鏡上的特定相變的方法和配置規(guī)則。在下面的描述中，術(shù)語“光”指代電磁輻射，其波長(zhǎng)位于電磁頻譜的可見光和不可見光部分內(nèi)，包括電磁頻譜的紅外和紫外部分。I平面亞波長(zhǎng)介質(zhì)光柵圖I示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例配置的SWG 100的等軸測(cè)圖。SWG 100包括布置在基板104的ー個(gè)表面上的光柵層102，其中光柵層102由折射率相對(duì)高于基板104的折射率的材料形成。例如，光柵層102可由硅(Si)形成，基板104可由石英或ニ氧化硅(SiO2)形成，或者光柵層102可由神化鎵(GaAs)形成，基板104可由鋁鎵砷(AlGaAs)或氧化鋁(Al2O3)形成。如在圖I的示例中所示，SWG 100具有平面幾何形狀，但光柵層102可被配置為具有特定光柵圖案，該光柵圖案使SWG 100可以與其它的光學(xué)裝置(例如聚焦和發(fā)散柱面或球面鏡)一樣以相同的方式工作。在其它的實(shí)施例中，可通過在由Si、GaAs、磷化銦(InP)或另外的適合的材料組成的單膜中形成光柵層102而去掉基板。SffG 100的具體反射特性是由為光柵層102選擇的光柵圖案來確定。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的配置有一維光柵圖案的SWG 200的光柵層的俯視圖。該ー維光柵圖案由多個(gè)ー維光柵子圖案構(gòu)成。在 圖2的不例中，三個(gè)不例性光柵子圖案201-203被放大。姆個(gè)光柵子圖案包括布置在基板104的表面上的光柵層102材料的多個(gè)規(guī)則間隔開的線狀部分，稱之為“線條”。線條沿y方向延伸，且沿X方向周期性間隔開。圖2還包括光柵子圖案202的放大端視圖204。陰影矩形206和207表示由折射率相對(duì)高于基板104的折射率的材料形成的線條。線條206和線條207被沿z方向延伸且使基板104的表面暴露的槽208分開。每個(gè)子圖案的特征在于線條的特殊周期性間距和在X方向上的線條寬度。例如，子圖案201包括以周期P1分開的寬度為W1的線條，子圖案202包括以周期P2分開的寬度為W2的線條，子圖案203包括以周期P3分開的寬度為W3的線條。光柵子圖案201-203形成了可優(yōu)先反射沿ー個(gè)方向，如X方向(假如周期P:、p2、和P3小于入射光的波長(zhǎng))偏振的入射光的亞波長(zhǎng)光柵。例如，根據(jù)入射光的波長(zhǎng)，線條寬度可從大約IOnm至大約300nm之間變化,周期可從大約20nm至大約Iym之間變化。從ー
個(gè)區(qū)域反射的光獲得由線條厚度t確定的相位和由"=7確定的占空比η，其中w為線條寬
度，P為與該區(qū)域相關(guān)的線條的周期。需要注意的是，通過調(diào)節(jié)線條的周期、線條寬度以及線條厚度，SWG 200可配置為反射入射光的X偏振分量或I偏振分量。例如，特定的周期、線條寬度和線條厚度可適于反射X偏振分量而不適于反射I偏振分量；另一周期、線條寬度和線條厚度可適于反射I偏振分量而不適于反射X偏振分量。光柵子圖案201-203中的每ー個(gè)也由于與每一個(gè)子圖案相關(guān)的不同占空比和周期而不同地反射沿ー個(gè)方向(比方說X方向)偏振的入射光。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的來自兩個(gè)分離的光柵子圖案的線條顯示反射光所獲得的相位的截面圖。例如，線條302和線條303可為第一子圖案中的線條，線條304和線條305可為基板104上別處的第二子圖案中的線條。線條302和線條303的厚度、大于線條304和線條305的厚度t2，且與線條302和線條303相關(guān)的占空比Jl1也大于與線條304和線條305相關(guān)的占空比η2。沿χ方向偏振且入射到線條302至305上的光，被線條302和303捕獲的時(shí)間周期相對(duì)長(zhǎng)于被線條304和線條305捕獲的部分入射光的時(shí)間周期。因此，從線條302和線條303反射的部分光獲得的相移大于從線條304和線條305反射的部分光獲得的相移。如圖3的示例中所示，入射波308和310以近似相同的相位射入線條302-305，但從線條302和線條303反射的波312獲得的相移Φ相對(duì)大于從線條304和線條305反射的波314獲得的相位(K (Φ> Φ ')。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的掲示波前如何變化的線條302-305的截面圖。如在圖4的示例中所示的，具有基本均勻的波前402的入射光射入線條302-305和第二表面104，產(chǎn)生具有彎曲的反射波前404的反射光。彎曲的反射波前404是由入射波前402的與具有相對(duì)較大的占空比H :和厚度h的線條302和線條303相互作用的部分以及相同的入射波前402的與具有相對(duì)較小的占空比H2和厚度t2的線條304和線條305相互作用的部分造成的。反射波前404的形狀與射入線條302和線條303的光所獲得的較大相位相對(duì)于射入線條304和線條305的光所獲得的較小的相位相一致。SffG 200可被配置為施加給反射光特定的相變，而維持相當(dāng)高的反射率。具體地，被配置有一維光柵 圖案的SWG可向垂直于線條偏振的反射光施加相變,如上參照?qǐng)D2-4所述的。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的由光柵層504的特定光柵圖案產(chǎn)生的示例性相變等值線圖502的等軸測(cè)圖。等值線圖502表示從SWG 500反射的光所獲得的相變的大小。在圖5所示的示例中，光柵層504中的光柵圖案產(chǎn)生傾斜的高斯形的相位等值線圖502，在光柵層504的中心附近反射的光所獲得的相位最大。反射光所獲得的相位的大小從光柵層504的中心向外逐漸減小。例如，從子圖案506反射的光獲得相位Ct1，從子圖案508反射的光獲得相位Φ2。由于比小2大得多，因此從子圖案506反射的光獲得的相位比從子圖案508反射的光獲得的相位大得多。相變反過來形成從SWG反射的光的波前的形狀。例如，如上參照?qǐng)D3所述的，與具有相對(duì)較小的占空比的線條相比，具有相對(duì)較大的占空比的線條在反射光中產(chǎn)生較大的相移。因此，波前的從具有第一占空比的線條反射的第一部分落后于同一波前的從被配置有第二相對(duì)較小的占空比的另ー組線條反射的第二部分。本發(fā)明實(shí)施例包括圖案化SWG的光柵層，以控制相變，并最終控制反射波前，使得SWG可作為具有特定光學(xué)特性的光學(xué)裝置(例如會(huì)聚鏡或發(fā)散鏡)工作。圖6Α示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有被配置為將入射光聚焦到焦點(diǎn)604的光柵層602的SWG 600的側(cè)視圖。在圖6Α的示例中，光柵層602被配置為具有光柵圖案，使得沿χ方向偏振的入射光反射，其中波前與將反射光聚焦在焦點(diǎn)604處對(duì)應(yīng)。另ー方面，圖6Β示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的被配置并作為發(fā)散鏡工作的SWG 610的側(cè)視圖。在圖6Β的示例中，光柵層612被配置為具有光柵圖案，使得沿χ方向偏振的入射光反射，其中波前與光從焦點(diǎn)604發(fā)射對(duì)應(yīng)。下面將在題為柱面鏡和球面鏡的子部分中更詳細(xì)地描述關(guān)于聚焦和發(fā)散光的實(shí)施例。II設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)光柵本發(fā)明實(shí)施例包括可將SWG設(shè)計(jì)為作為可向反射光引入期望的相前的鏡工作多種方式。上面圖5中描述了被設(shè)計(jì)為可在反射光中產(chǎn)生特定相變的SWG的不例。第一種方法包括確定SWG的光柵層的反射系數(shù)分布。反射系數(shù)為由r=表示的復(fù)值函數(shù)，其中RU)為SWG的反射率，Φ (λ)為由SWG產(chǎn)生的相移或相變。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括布置在石英基板上的Si光柵層的SWG的反射率和相移相對(duì)于一入射光波長(zhǎng)范圍的圖。在該示例中，光柵層被配置有ー維光柵且在垂直入射狀態(tài)工作，其中電場(chǎng)垂直于包括光柵層的線條偏振。在圖7中，曲線702對(duì)應(yīng)于反射率R(X )，曲線704對(duì)應(yīng)于由SffG對(duì)處于大約I. 2 μ m至大約2. O μ m的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的入射光產(chǎn)生的相移Φ ( λ )。反射率曲線702和相位曲線704可利用公知的有限元方法或嚴(yán)格耦合波分析來確定。由于Si和空氣之間強(qiáng)烈的折射率對(duì)比，因此光柵具有高反射率的較寬的光譜區(qū)域706。然而，曲線704顯示出反射光的相位在虛線708和虛線710之間的整個(gè)高反射率光譜區(qū)域內(nèi)變化。當(dāng)線條的周期和寬度的空間尺寸根據(jù)因子α均勻變化時(shí)，反射系數(shù)分布基本保持不變，但具有由因子α縮放的波長(zhǎng)軸線。換言之，當(dāng)一光柵被設(shè)計(jì)為在自由空間波長(zhǎng)入^處具有特定反射系數(shù)Rtl時(shí)，在另一波長(zhǎng)λ處具有相同反射系數(shù)的新的光柵可以通過將所有光柵幾何參數(shù)，例如周期、線條厚度以及線條寬度，乘以因子α = λ/λ。而設(shè)計(jì)出，給出
r ( λ ) = r0 ( λ / a ) = r0 ( λ 0)。另外，可通過在高反射率譜窗ロ 706內(nèi)對(duì)原始周期性光柵的參數(shù)進(jìn)行非均勻縮放而設(shè)計(jì)出具有|r(a) I — 1，但具有空間上變化的相位的光柵。假設(shè)期望在從swG上的具有橫坐標(biāo)(X，y)的點(diǎn)反射的部分光上引入相位Φ (X，y)。在點(diǎn)(X，y)附近，具有緩慢變化的光柵縮放因子α (χ，y)的非均勻光柵在局部表現(xiàn)得就像該光柵為具有反射系數(shù)RcXX/a)的周期性光柵一祥。因此，給定ー個(gè)在某波長(zhǎng)λ。下具有相位(K的周期性光柵設(shè)計(jì)，選擇ー個(gè)局部縮放因子a (x,y) = λ/λ。得出在工作波長(zhǎng)λ下φ (x,y) = φ。。例如，假設(shè)期望在從SWG設(shè)計(jì)上的一點(diǎn)(X，y)反射的一部分光上引入大約為3 π的相位，而為點(diǎn)(X，y)所選擇的線條寬度和周期引入大約為η的相位?，F(xiàn)在參照?qǐng)D7的曲線圖，期望的相位
= 3ji對(duì)應(yīng)于曲線704上的點(diǎn)712，且波長(zhǎng)λ0 一 I. 67 μ m (714)，與點(diǎn)(x，y)相關(guān)的相位π對(duì)應(yīng)于曲線704上的點(diǎn)716，且波長(zhǎng)λ ^ I. 34 μ m。因此，縮放因子為a (x，y) = λ / λ。=I. 34/1. 67 = O. 802，通過乘以因子α可調(diào)整點(diǎn)(x，y)處的線條寬度和周期，以在工作波長(zhǎng)λ = I. 34 μ m下獲得期望的相位Φ。= 3 。圖7中示出的反射率和相移與一波長(zhǎng)范圍的關(guān)系的曲線圖表示ー種可確定SWG的例如線條寬度、線條厚度以及周期等參數(shù)以向從SWG的特定點(diǎn)反射的光引入特定相位的方式。在其它的實(shí)施例中，也可以使用作為周期和占空比的函數(shù)的相位變量來構(gòu)建SWG。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的利用公知的有限元方法或嚴(yán)格耦合波分析所獲得的作為周期和占空比的函數(shù)的相位變量的相位等值線曲線圖。等值線，例如等值線801-803，各自對(duì)應(yīng)于從具有位于該等值線的任意位置處的周期和占空比的光柵圖案反射的光所獲得的特定相位。相位等值線以0.25 π弧度隔開。例如，等值線801對(duì)應(yīng)于施加給反射光-0.25 π弧度的相位的周期和占空比，等值線802對(duì)應(yīng)于施加給反射光-O. 5 π弧度的相位的周期和占空比。處于-0.25 π弧度和-0.5 π之間的相位被施加給從具有位于等值線801和等值線802之間的周期和占空比的SWG發(fā)射的光。對(duì)應(yīng)于700nm的光柵周期和54%的占空比的第一點(diǎn)(P，η)804和對(duì)應(yīng)于660nm的光柵周期和60%的占空比的第二點(diǎn)(P，η)806 二者均位于等值線801上。具有由第一點(diǎn)804表示的周期和占空比的光柵圖案與由第二點(diǎn)806表不的光柵圖案ー樣向反射光引入相同的相位Φ = -O. 25 η弧度。圖8還包括處于相位等值面上的95%和98%的反射率的兩條反射率等值線。虛線等值線808和810對(duì)應(yīng)于95%的反射率，實(shí)線等值線812和814對(duì)應(yīng)于98%的反射率。位于等值線808和等值線810之間任意位置的點(diǎn)(ρ，η, Φ)具有最小反射率95%，位于等值線812和等值線814之間任意位置的點(diǎn)(ρ，η, Φ)具有最小反射率98%。 可使用由相位等值線圖表示的點(diǎn)(P，η, Φ)來選擇可作為具有最小反射率的特定類型的鏡工作的光柵的周期和占空比，如在以下子部分中所描述的。換言之，可利用圖8的相位等值線圖中表示的數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)SWG光學(xué)裝置。在特定實(shí)施例中，可固定周期和占空比而改變其它的參數(shù)，來設(shè)計(jì)和制作SWG。在其它的實(shí)施例中，可改變周期和占空比二者來設(shè)計(jì)和制作SWG。III制作亞波長(zhǎng)介質(zhì)光柵的方法本發(fā)明實(shí)施例包括用于設(shè)計(jì)光柵以作為透鏡工作的一般方法，其中可通過在圖8中所示的相位等值面的選定的反射率區(qū)域內(nèi)選擇沿任意適合的方向取向的連續(xù)相位分布，來改變周期和占空比。例如，虛線816表示在98%的最小反射率區(qū)域內(nèi)的相位等值面上為SWG鏡選定的相位分布Φ。如下可確定變量周期和占空比考慮沿相位等值面的期望的反射率區(qū)域內(nèi)的連續(xù)曲線，例如由圖8的線816表示的曲線，選定的目標(biāo)相位分布Φ = Ψ (X)。表示相位分布Φ = ψ (X)的線還可被描述為ー維參數(shù)函數(shù)Φ = φ (t),其具有表示周期P = P(t)和占寬比η = H(t)的參數(shù)t的對(duì)應(yīng)參 數(shù)函數(shù)。換言之，在目標(biāo)相位分布Φ = Ψ (χ)上的任何點(diǎn)都可與參數(shù)t和由Φ = Φ (t)描述的對(duì)應(yīng)的相位相聯(lián)系，而對(duì)應(yīng)的周期和占空比可由線性函數(shù)P = P(t)和η = H(t)表示。例如，の(0可通過將Φ = Ψ(χ)與沿著處于期望的最小反射率等值線之間的相位等值面的曲線，例如由圖8中線816表示的曲線，相匹配來確定。將曲線投影到ρ η平面上產(chǎn)生可用參數(shù)方程P(t)和H(t)表征的線。透鏡中心處的相位可由(K = Ψ (x0 = O)來確定。通過對(duì)值t = tQ求解Φ⑴=Ψ (χ = O)。集中在x = 0的線條的周期和占空比為P。=P (t0)和ル=!Ktci)。根據(jù)如下所述的迭代過程逐個(gè)地得出透鏡的中心和占空比假設(shè)周期號(hào)為n的中心位置為具有周期值Pn的xn。下一周期的中心位置可通過方程⑴來確定，方程⑴x +1 = x + そ +今1其中Xn和pn為已知的值，pn+1是待確定的值。xn+1的位置處的相位可通過在t =tn+1處的線φ (t)來確定，其中tn+1也為待確定的值。xn+1處的相位還滿足選擇的相位分布Ψ (χ) O因此方程(2)Ψ (χη+1) = Φ (tn+1)和方程(3)pn+1 = P (tn+1)將方程⑴和(3)代入方程⑵中得到方程⑷ΨI x + 今 + = Φ {tn+l)方程(4)是只有ー個(gè)未知tn+1的函數(shù)，其可被數(shù)值解出。在得出tn+1之后，根據(jù)方程⑶得出Pn+1，根據(jù)方程⑴得出χη+1，而根據(jù)nn+1 = H(tn+1)計(jì)算出占空比。重復(fù)前面的迭代過程直至Xn > A，其中A為指定的透鏡半徑。雖然對(duì)某些給出的連續(xù)線(Φ (t),P(t)，H(t))，方程(4)可能無解。在實(shí)踐中，這種情況應(yīng)該很少發(fā)生。圖9示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于產(chǎn)生允許周期和占空比變化的光柵圖案的控制流程圖。在步驟901中，計(jì)算由圖8中所示的相位等值線曲線圖表示的相位等值線圖，以大體上確定表示任意SWG光學(xué)裝置的相位、占空比以及周期之間關(guān)系的數(shù)據(jù)集合{(p，n,Φ)}。在步驟902中，確定相位等值線圖的反射率等值線，例如圖8中所示的95%的反射率的反射率等值線808和810?？稍谟?jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中存儲(chǔ)和從其獲取相位等值線圖{(P，η，Φ)}和反射率等值數(shù)據(jù)，如以下參照?qǐng)D16所進(jìn)行的更詳細(xì)描述。注意，步驟901和902可一次執(zhí)行，且通過步驟901和902產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可用于步驟903-913的執(zhí)行中，以確定聚焦和非聚焦SWG鏡，或用于產(chǎn)生其它SWG光學(xué)裝置的光柵圖案。在步驟903中，可如上所述輸入最小反射率、焦距、鏡半徑A。在步驟904中，可如以下參照?qǐng)D11和圖15所述確定鏡上的選定目標(biāo)的相變?chǔ)?= Ψ(χ),。在步驟905中，將目標(biāo)相位Φ = Ψ (χ)與期望的反射率區(qū)域內(nèi)的相位等值面的連續(xù)曲線，例如由圖8的線816表示的關(guān)于最小反射率98%的曲線，相匹配。參數(shù)化目標(biāo)相位Φ = Ψ (χ)以獲得一維參數(shù)函數(shù)Φ = Φ (t)。在步驟906中，根據(jù)Φ。= Ψ (χ。=。)確定透鏡中心處的相位。通過求解t = tQ的值時(shí)的Φ (t) = Ψ (χ = O),根據(jù)PQ = P(tQ)和H。= H(tQ)得出集中在位置Xtl = O的線的周期和占空比。在步驟907中，構(gòu)造作為參數(shù)tn的函數(shù)的周期Pn = P(tn)、占空比nn = H(tn)以及相位Φη= Φ (tn)的查找表。在步驟908中，將周期號(hào)n初始化為零。在步驟909中，利用牛頓法或其它適合 于確定tn+1的數(shù)值法在數(shù)值上求解tn+1的方程(3)Ψ| x +令 +~^] = Φ(し!)
V2J在步驟910中，給出tn+1可從查找表確定周期pn = P(tn)和占空比Hn = H(tn) ο
在步驟911中，可根據(jù)^+ |確定下一周期的中心位置。在步驟912中，當(dāng)xn+1
小于A吋，繼續(xù)執(zhí)行步驟913，其中可在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中存儲(chǔ)三元組(xn，pn，ηη)，如下所述。在步驟914中，可將存儲(chǔ)的值(xn，pn，nn)發(fā)送到其中可制作具有輸入?yún)?shù)的SWG的設(shè)計(jì)工具。在步驟915中，増加周期號(hào)?，F(xiàn)在考慮配置ー個(gè)可操作為柱面鏡的簡(jiǎn)單的基本平坦的SWG。該SWG具有可變線條寬度或占空比，而周期始終為常數(shù)。圖IOA示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例放入被配置為操作為針對(duì)平行于χ方向偏振的入射光的聚焦柱面鏡的ー維SWG的俯視圖。圖IOB示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的沿圖IOA中所示的線10B-10B截取的SWG 1000的截面圖。如圖IOB所示，SffG 1000包括布置在基板1003的表面上的光柵層1002。光柵層1002可由折射率相對(duì)高于基板1003的折射率的材料制成。光柵層1002限定出沿y方向延伸SWG 1000的長(zhǎng)度且在χ方向具有長(zhǎng)度2A的鏡孔徑。圖10A-10B包括光柵層1002的陰影區(qū)域1004-1008。每個(gè)陰影區(qū)域表示在光柵層1002中形成的不同光柵子圖案的線條，較暗的陰影區(qū)域，例如區(qū)域1004，表示占空比相對(duì)大于較淺陰影區(qū)域，例如區(qū)域1007，的占空比的區(qū)域。圖IOA還包括四個(gè)區(qū)域1004-1007的子區(qū)域的放大部分1010-1013，其顯示出線條沿y方向平行延伸，并且在χ方向線條周期P為常數(shù)或固定。放大部分1010-1013還顯示出線條寬度W，換句話說是占空比Π，從中心向外逐漸減小。如上參照?qǐng)D6Α所述的，光柵層1002被配置為將沿χ方向偏振的反射光聚焦到焦點(diǎn)。在制作圖10所示的SWG柱面鏡1000之前，確定最小反射率、焦距f、鏡孔徑2A以及優(yōu)選的周期范圍Pmin和Pmax將最小反射率、焦距f和鏡孔徑2A限定為由用戶根據(jù)g在如何使用SWG鏡1000或SWG鏡1000 g在應(yīng)用到的裝置的類型而確定。例如，用戶可能想將SWG鏡1000應(yīng)用于具有15mm的優(yōu)選焦距和具有85%的最小反射率的系統(tǒng)中。另外，孔徑不能超過10mm。優(yōu)選的周期范圍可能受限于在用于制作SWG鏡1000的技術(shù)中的分辨率限制。一旦確定了 SWG鏡的參數(shù)，即可確定在鏡上沿χ方向的期望或目標(biāo)相變。對(duì)于柱形會(huì)聚鏡，可根據(jù)表達(dá)式
權(quán)利要求
1.一種亞波長(zhǎng)光柵(100、200),包括 光柵層(102)，所述光柵層具有平面幾何形狀且被配置有線條(206、207)，線條寬度、線條厚度以及線條周期間隔(208)被選擇以控制從所述光柵反射的光束的不同部分的相變，使得所述相變共同產(chǎn)生從所述光柵反射的光束的期望波前形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長(zhǎng)光柵，進(jìn)一步包括基板(104)，其中所述光柵層被布置在所述基板上，并且所述光柵層由折射率相對(duì)高于所述基板的折射率的材料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長(zhǎng)光柵，其中所述光柵圖案進(jìn)一步包括一維線條圖案。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的亞波長(zhǎng)光柵，其中所述一維線條圖案進(jìn)一步包括一個(gè)以上的線條子區(qū)域(201-203)，在每個(gè)子區(qū)域內(nèi)的線條都具有選定的周期和線條寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長(zhǎng)光柵，其中所述光柵進(jìn)一步包括膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長(zhǎng)光柵，其中所述線條寬度、線條厚度以及線條周期間隔進(jìn)一步包括基本恒定的線條周期間隔和基本恒定的線條厚度且線條寬度被改變以形成會(huì)聚鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長(zhǎng)光柵，其中所述線條寬度、線條厚度以及線條周期間隔進(jìn)一步包括基本恒定的線條周期間隔和基本恒定的線條厚度且線條寬度被改變以形成發(fā)散鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長(zhǎng)光柵，其中所述線條寬度、線條厚度以及線條周期間隔被選擇以形成會(huì)聚鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長(zhǎng)光柵，其中所述線條寬度、線條厚度以及線條周期間隔被選擇以形成發(fā)散鏡。
10.一種利用計(jì)算裝置制作亞波長(zhǎng)光柵鏡的方法，該方法包括 利用所述計(jì)算裝置計(jì)算所述光柵鏡上的期望目標(biāo)相變(904、1304、1604)，所述目標(biāo)相變對(duì)應(yīng)于從亞波長(zhǎng)光柵圖案反射的光束的期望波前形狀； 利用所述計(jì)算裝置產(chǎn)生與所述光柵鏡上的所述目標(biāo)相變對(duì)應(yīng)的線條寬度、線條周期間隔以及線條厚度(907、1306、1607);以及 利用所述計(jì)算裝置產(chǎn)生坐標(biāo)集合(908-915、1307-1313、1607-1618)，每個(gè)坐標(biāo)標(biāo)識(shí)具有一線條寬度、線條周期間隔以及線條厚度的線條的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括 將所述坐標(biāo)集合和相關(guān)的線條寬度、線條周期間隔以及線條厚度輸入到微芯片處理工具(914、1313、1612)； 利用化學(xué)氣相沉積在基板的表面上沉積第一材料層，所述第一材料層的折射率相對(duì)高于所述基板的折射率；以及 利用光刻法基于所述坐標(biāo)集合在所述第一材料層中限定光柵線條圖案。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中基于所述目標(biāo)相變與相位等值面相匹配來利用所述計(jì)算裝置確定光柵圖案間隔周期，進(jìn)一步包括標(biāo)識(shí)與為所述光柵鏡所選的最小反射率相關(guān)的相位等值面的部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述光柵圖案進(jìn)一步包括布置在所述基板的所述表面上的錐形線條圖案(1414、1416)，使得所述線條周期間隔和線條寬度使從所述光柵反射的光束會(huì)聚，其中所述光束垂直于所述線條偏振。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述光柵圖案進(jìn)一步包括布置在所述基板的所述表面上的矩形形狀的線條圖案(206、207)，使得所述線條周期間隔和線條寬度使從所述光柵反射的光束會(huì)聚，其中所述光束垂直于所述線條偏振。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述線條寬度、線條厚度以及線條周期間隔進(jìn)一步包括基本恒定的線條周期間隔和基本恒定的線條厚度且線條寬度被改變以形成會(huì)聚鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及可被配置為作為鏡和其它光學(xué)裝置工作的平面亞波長(zhǎng)介質(zhì)光柵。在一個(gè)方面，光柵層(102)具有平面幾何形狀且被配置有線條(206、207)。線條寬度、線條厚度以及線條周期間隔(208)被選擇以控制從光柵反射的光束的不同部分的相變，使得相變共同產(chǎn)生從光柵反射的光束的期望波前形狀。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102667544SQ200980160995
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者戴維·A·法塔勒, 李晶晶, 雷蒙德·G·博索雷, 馬科斯·菲奧倫蒂諾 申請(qǐng)人:惠普開發(fā)有限公司