美国Viavi Solutions 衍射光学元件

衍射光学

衍射元件是薄相元件，通过干涉和衍射来产生任意分布的光或帮助设计光学系统。 VIAVI Solutions 设计和制造具有二进制和模拟相位曲线的衍射元件。二元元件的效率接近 80%（忽略表面损耗），如果特征尺寸太小而无法进行模拟制造，并且所需图案具有中心对称性，则通常代表具有成本效益的解决方案。中心对称意味着如果 I（m，n）表示衍射阶（m，n）的强度，则 I（-m，-n） = I（m，n） 如果要生产的图案或点阵列具有中心对称性，则可以使用二元相位掩模制造，否则它需要是连续的。例如，我们可以使用二元元素来产生方形扩散器，但不能生成三角形扩散器。 VIAVI Solutions 还生产模拟连续相位衍射元件。

连续元件的效率达到 90% 以上（忽略表面损失），并能够生产更通用的图案。衍射元件通常在准直、相干照明下工作，如下所示的几何形状，并带有可选的聚焦透镜。

典型的问题是在给定图像平面中所需的强度分布的情况下计算衍射元件表面结构。 VIAVI Solutions 开发了严格的设计和建模规范，可优化衍射元件，最大限度地提高特定制造方法的性能。以下是 VIAVI Solutions 设计和制造的一些衍射元件：

衍射透镜
分束器（点阵列）
衍射扩散器
校正板

衍射透镜

衍射透镜可用于减少传统透镜系统中的元件数量，并消除在校正色差时对异物材料的需求。衍射透镜是非常薄的元件，总深度高度等于 λ/（n – 1），其中 λ 是工作波长，n 是折射率。衍射透镜由一系列区域组成，这些区域在透镜边缘变得更细。

一般来说，衍射元件在单一波长下效果最好。在任何其他波长下，效率和图像对比度都会降低。然而，对于具有一定数量的离散波长（2、3、...）的应用，可以设计出一种衍射透镜，在每个波长下都显示出 100% 的理论效率。我们将这种特殊设计称为“MOD”透镜，它代表“多阶衍射”透镜。 MOD透镜*比传统衍射透镜深一点，为整数因子p。同时，区域大小增加。

*关于MOD镜头的有用参考：

D. Faklis 和 G. M. Morris，“多阶衍射透镜的光谱特性”，Appl. Opt. 34， 2462 （1995）。
D. Faklis 和 G. M. Morris，美国专利 #5,589,982

分束器（点阵列）

衍射元件的常见用途是将激光束分裂成一系列光斑。在这种情况下，入射到元件上的通常准直光束被分离成一个阵列，可以是一维的，也可以是二维的。

产生分束器的衍射元件基本上是具有一些复杂形状的光栅，可产生所需的光斑分布。生产衍射分束器有两种基本设计方法：二进制和模拟解决方案。如果所需的光斑分布是中心对称的，则二元解决方案是生产分束器的最常见和最有用的方法之一。下面是一个 25×5 点阵列的示例，说明了二进制设计的一些主要特征。

模拟设计解决方案的理论效率可以达到90%以上，但需要更复杂的生产技术。 VIAVI Solutions 开发了设计和分析模型，以生成和评估一般衍射元件的解决方案，特别是分束器的解决方案。我们还可以以二进制或模拟格式生成这些元素。为了产生模拟衍射，我们利用激光写入技术来产生连续变化的表面，从而产生所需的光斑分布。下面的示例显示了投影箭头的曲面图案的一部分。

衍射扩散器

衍射元件还可以用作扩散器，为某些特殊应用（如光刻照明系统）提供受控照明。与折射扩散器（例如我们的工程扩散器™）相比，衍射扩散器的主要优点是强度下降急剧，其宽度与工作波长处的入射光束尺寸对应的衍射极限光斑一样宽。衍射扩散器可以采用二进制或模拟相函数来实现，效率分别约为 80% 和 90-95%。

使用二元相位函数实现的衍射圆形扩散器。此示例说明了衍射扩散器的一个常见问题：零阶。该扩散器正在用氦氖激光器照射，但其相位深度对于该光源并不完全正确。因此，零阶比其他阶更亮。

其他由具有二元相位函数的衍射扩散器产生的光分布示例。如果散射角较小，模拟相位函数也可用于提高效率和降低对深度误差的敏感度，从而最大限度地减少零阶。

校正板

在某些应用中，光学系统的某个点需要特定的波前，但无论出于何种原因，实际波前都不会显示所需的形式。如果与理想波前偏差是一致且可重复的，则可以引入校正板，通过在孔径的各个点感应适当的相位延迟来校正波前，以产生所需的波前。在典型的波前校正器应用中，输入波前包含一些失真，需要消除这些失真才能产生均匀、平坦的波前。校正板引入与输入波前相匹配的相位延迟，以消除不需要的变化。显然，校正板需要与入射波前对齐，如果波前中的失真是可重复且静止的，则效果最佳。 VIAVI Solutions 激光写入技术能够生产高精度的校正板，即使需要校正高频波前失真。