CN102566056B - 组合达曼光栅 - Google Patents
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Abstract
一种组合达曼光栅，将N个满足光栅周期匹配条件的达曼光栅组合在一起，所述的光栅要满足周期匹配条件：当第n个达曼光栅为偶数型光栅，则dn需满足的光栅周期严格匹配条件为：2sin-1(mnλ/dn)+sin-1(2λ/dn)＝sin-1(λ/dn-1)；当第n个达曼光栅为奇数型光栅，则dn需满足的光栅周期严格匹配条件为：2sin-1(mnλ/dn)+sin-1(λ/dn)＝sin-1(λ/dn-1)；其中dn为第n个达曼光栅的周期，mn为其边缘衍射级次，n为正整数且n∈N，λ为入射激光波长。本发明对入射光多次衍射可实现相同工艺条件下单个达曼光栅难以实现的分束数量和分束角度，本发明具有使用方便，成本低廉，光点光强均匀等优点，可有力扩展达曼光栅的应用范围，有望在精密测量、机器视觉、航空航天等领域得到广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及达曼光栅，特别是一种组合达曼光栅，以实现增加达曼光栅点阵分束数量和分束角度。
背景技术
达曼光栅由Dammann和Gortle于1971年发明【在先技术1：H.Dammann and K.Gortler，Opt.Comm.1971，3(3)：312～315】。它作为夫琅禾费型光学器件，入射光波经过它产生的夫琅禾费衍射图样是一定点阵数目的等光强光斑，完全避免了一般振幅光栅因sinc函数强度包络所引起的谱点光强的不均匀分布。1995年周常河给出了从2到64点阵的达曼光栅解【在先技术2：C.H.Zhou，L.R.Liu，Appl.Opt.，1995，34(26)，5961～5969】，之后设计了与大多数光学系统相配的圆形达曼光栅，并详细地分析了相位制作误差及侧壁腐蚀误差对光栅性能的影响【在先技术3：C.H.Zhou，J.Jia，L.R.Liu，Opt.Lett.，2003，27(22)：2174～2176】。
由于受现有微纳加工技术的限制，单个达曼光栅实现多点分束时分束数量和分束角度受到一定限制。如果想提高点阵密度实现多级次均匀点阵衍射，则设计出的达曼光栅特征结构极为微小，难于实际加工且成本高昂。因而，选用现有工艺可加工、成本低廉的达曼光栅并用组合的方式实现多级次均匀点阵衍射则是增加达曼光栅分束数量和分束角度的有效方法。
发明内容
本发明的目的是解决单个达曼光栅分束数量少、分束角有限的问题，提出一种组合达曼光栅，该组合达曼光栅可以增加达曼光栅点阵分束数量和分束角度，具有加工简单、成本低廉、实现方便和点阵光强度均匀等优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种增加达曼光栅点阵分束数量和分束角度的组合达曼光栅，其特点是将N个满足光栅周期匹配条件的达曼光栅组合在一起，所述的光栅要满足光栅周期严格匹配条件为：
当第n个达曼光栅为偶数型光栅，则dn需满足的光栅周期严格匹配条件为：2sin-1(mnλ/dn)+sin-1(2λ/dn)＝sin-1(λ/dn-1)；
当第n个达曼光栅为奇数型光栅，则dn需满足的光栅周期严格匹配条件为：2sin-1(mnλ/dn)+sin-1(λ/dn)＝sin-1(λ/dn-1)；
其中dn为第n个达曼光栅的周期，mn为其边缘衍射级次，n为正整数且n∈N，λ为入射激光波长。
所述的组合达曼光栅的组合方式包括：紧贴组合，分离组合、双面组合和复合组合，所述的紧贴组合即将多个达曼光栅紧贴实现组合；所述的分离组合，即将多个达曼光栅分离共光轴摆放实现组合；所述的双面组合，即对光栅介质两面刻蚀达曼光栅实现组合；所述的复合组合，即选择紧贴组合、分离组合和双面组合中任两种以上的组合方式。一种增加达曼光栅点阵分束数量和分束角度的组合达曼光栅方法，其特点是使用多个达曼光栅通过组合实现单个达曼光栅难以实现的分束数量和分束角。
本发明的工作原理如下：
设定将N个达曼光栅组合起来形成组合达曼光栅，N为正整数。第n个达曼光栅周期为dn，且其+1级和0级衍射光分束角为αn，其边缘级次衍射光为±mn级光，+mn级光与0级光之间的分束角为βn，n∈N。
设定入射激光波长为λ。对于达曼光栅N-1和达曼光栅N而言，达曼光栅N-1的+1级衍射光入射到光栅N后的-mn级衍射光与达曼光栅N-1的0级衍射光入射到光栅N后的+mn级衍射光的夹角为θN。为了保证组合达曼光栅的分束点阵与达曼光栅N的分束点阵效果一致，组合达曼光栅的相邻衍射光分束角必须与达曼光栅N的相邻光束分束角相等。因此，光栅N-1和光栅N的分束角满足2βN+θN＝αN-1，对于光栅N-2和光栅N-1而言，2βN-1+θN-1＝αN-2，并以此类推，其中各分束角满足以下光栅方程：dnsinβn＝mnλ，dn-1sinθn-1＝λ，dnsinθn＝λ。如果第N个达曼光栅为偶数型光栅，则θN＝sin-1(2λ/dn)，那么dn需满足的光栅周期严格匹配条件为2sin-1(mnλ/dn)+sin-1(2λ/dn)＝sin-1(λ/dn-1)，对该式近似计算得光栅周期近似匹配条件为2(mn+1)dn-1＝dn；如果第N个达曼光栅为奇数型光栅，则θN＝sin-1(λ/dn)，则dn需满足的光栅周期严格匹配条件为2sin-1(mnλ/dn)+sin-1(λ/dn)＝sin-1(λ/dn-1)，对该式近似计算得光栅周期近似匹配条件为(2mn+1)dn-1＝dn。对上述两种情况n均满足n∈N，N为正整数。
对于高级次分束达曼光栅而言，特征尺寸系数很小；而对于低级次分束达曼光栅而言，特征尺寸系数则较大【参阅在先技术2：C.H.Zhou，L.R.Liu，Appl.Opt.，1995，34(26)，5961～5969】。因而，可以利用多个光栅周期严格匹配的特征尺寸系数较大的达曼光栅，通过上述组合方法，实现单个达曼光栅在相同工艺水平下难以实现的分束数量和分束角。
组合达曼光栅的实现方式包括：紧贴组合，即将多个达曼光栅紧贴实现组合；分离组合，即将多个达曼光栅分离共光轴摆放实现组合；双面组合，即对光栅介质两面刻蚀达曼光栅实现组合；复合组合，即选择紧贴组合、分离组合和双面组合中任两种以上同时使用实现组合。
本发明的技术效果：
本发明组合达曼光栅可以实现相同工艺条件下单个达曼光栅无法实现的分束数量和分束角，同时分束点阵光强均匀、衍射效率高的特点。
附图说明
图1是本发明组合达曼光栅实现192X 192点阵示意图。
图2是单个达曼光栅实现的3X 3点阵示意图。
图3是单个达曼光栅实现的64X 64点阵示意图。
图4是组合达曼光栅实现的192X 192点阵示意图。
图5是单片达曼光栅实现1X21分束示意图。
图6是组合达曼光栅实现1X21分束示意图。
具体实施方式
下面通过实施例及其附图对本发明进一步说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
实施例1：
请参阅图1，图1是本发明的组合达曼光栅由达曼光栅2和达曼光栅3组合构成以实现192X 192点阵的示意图。图中1为波长为λ＝532nm的激光束，2是实现3X3分束的周期为d2＝3.9um的奇数型达曼光栅，其点阵效果如图2所示，3是实现64X64分束的周期为d3＝500um的偶数型光栅，其点阵效果如图3所示，达曼光栅2和达曼光栅3构成组合达曼光栅。
激光束1垂直入射到光栅2衍射后以入射方向各不相同的3X3激光束入射到3上，3X3激光束经过光栅3衍射后形成192X192点阵光束4。点阵光束4中典型光束有：5为光栅2的+1级光入射到光栅3后衍射的+63级光；7为光栅2的+1级光入射到光栅3后衍射的-63级光；8为光栅2的0级光入射到光栅3后衍射的+63级光；10为光栅2的0级光入射到光栅3后衍射的-63级光；11为光栅2的-1级光入射到光栅3后衍射的+63级光；13为光栅2的-1级光入射到光栅3后衍射的-63级光。
6为光栅2的+1级光出射方向的延长线，9为光栅2的0级光出射方向的延长线，12为光栅2的-1级光出射方向的延长线。14为8和9的夹角β1，15为6和7的夹角β2，易知β1＝β2＝β。16为6和9的夹角α，17为7和8的夹角θ，易知三者满足θ＝α-2β。组合达曼光栅衍射光栅分束角必须等于达曼光栅3的分束角即θ＝φ，因而达曼光栅周期参数需满足sin-1(λ/d2)-2sin-1(63λ/d3)＝sin-1(2λ/d3)，将前述光栅周期与激光波长实际参数代入计算后发现完全满足。因而，基于该周期条件的组合达曼光栅可在532nm激光照射下实现192X192点阵分束，其分束效果示意图如图5所示。
实施例2：
设定工艺条件为最小可加工尺寸是500nm。现希望对532nm波长激光以2度分束角实现1X21点阵分束。若采用单个达曼光栅实现，则其光栅周期约为15.24um，最小特征尺寸约为198nm，无法满足工艺条件。在设定工艺条件下达曼光栅的最小光栅周期为38.46um，其最大分束角仅为0.79度，图6是单个达曼光栅以0.79度分束角实现1X21分束的示意图。
因而采用单个达曼光栅无法实现2度分束角实现1X21分束的要求，只能采用组合达曼光栅方式实现。
现利用1X3和1X7两个奇数达曼光栅通过组合方式实现2度分束角的1X21点阵分束。根据前述周期匹配条件计算得1X7达曼光栅的周期需为15.24um，其最小特征尺寸为1.54um，1X3达曼光栅周期需为2.2um，其最小特征尺寸为0.58um，因而此组达曼光栅结构参数均满足设定工艺要求。图7是基于上述周期参数的组合达曼光栅以2度分束角实现1X21分束的示意图。
本发明所述的增加达曼光栅点阵分束数量和分束角度的达曼光栅组合方法，具有使用方便，成本低廉，光点光强均匀等优点。此达曼光栅组合方法可有力扩展达曼光栅的应用范围，有望在精密测量、机器视觉、航空航天等领域得到广泛的应用。
Claims (2)
1.一种组合达曼光栅，其特征是将N个满足光栅周期匹配条件的达曼光栅共光轴地组合在一起，所述的光栅要满足周期匹配条件为：
当第n个达曼光栅为偶数型光栅，则dn需满足的光栅周期严格匹配条件为：2sin-1(mnλ/dn)+sin-1(2λ/dn)=sin-1(λ/dn-1)；
当第n个达曼光栅为奇数型光栅，则dn需满足的光栅周期严格匹配条件为：2sin-1(mnλ/dn)+sin-1(λ/dn)=sin-1(λ/dn-1)；
其中：dn为第n个达曼光栅的周期，mn为其边缘衍射级次，n为正整数且n∈N，λ为入射激光波长。
2.根据权利要求1所述的组合达曼光栅，其特征在与所述的组合达曼光栅的组合方式包括：紧贴组合，分离组合、双面组合和复合组合，所述的紧贴组合即将多个达曼光栅紧贴实现组合；所述的分离组合,即将多个达曼光栅分离摆放实现组合；所述的双面组合，即对光栅介质两面刻蚀达曼光栅实现组合；所述的复合组合，即选择紧贴组合、分离组合和双面组合中任两种以上的组合方式。
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