[发明专利]一种光流集成的宽带、高效率多层衍射光学元件及其制备方法

权利要求书

1.一种光流集成的宽带、高效率多层衍射光学元件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)、多层衍射光学元件的参数计算；

多层衍射光学元件的参数计算包括材料色散曲线的拟合以及多层衍射结构高度的计算；

具体步骤如下：

A、材料色散曲线的拟合：

通过结构主体材料以及色散匹配溶液材料在不同波长下的折射率分布的图表，提取图表中的原始数据并使用常用的Schott色散方程进行曲线拟合，最终得到材料色散曲线：

n(λ)²＝α₀+α₁λ²+a₂λ^-2+α₃λ^-4+α₄λ^-6+α₅λ^-1 (1)

其中，n(λ)为材料在不同波长下的折射率，λ为光波长，α_0-5为对应的色散系数；

B、多层衍射结构高度的计算：

根据标量衍射理论，单层衍射元件的相位变化量为：

其中，为器件的相位变化量，λ为光波长，n(λ)为材料在不同波长下的折射率，H为衍射结构的高度；

则多层衍射元件的相位变化量为：

其中，d₁、d₂和d₃是不同层的衍射结构的高度，n₁(λ)、n₂(λ)和n₃(λ)是材料在不同波长下的折射率，它们的值通过拟合得到的Schott色散曲线公式(1)计算得到；

为了实现入射光波长为λ时精确闪耀，则设器件的相位变化量为2π，设多层衍射光学元件的宽带工作范围为λ₁-λ₂时，可以从拟合曲线中得到两种材料

在波长为λ₁以及λ₂时的折射率，然后将材料折射率带入公式(3)中得到：

通过解方程组得到每层衍射结构的高度值d₁、d₂和d₃，高度值的正负代表锯齿的不同朝向，根据多层衍射光学元件每层衍射结构的高度，锯齿朝向以及器件半径得到多层衍射元件的表面轮廓信息；

(2)、多层衍射元件理论衍射效率的计算；

具体步骤如下：

在确定多层衍射元件的材料组成以及每层衍射结构的高度后，通过公式计算器件在宽带下的衍射效率，连续表面的单层衍射元件的衍射效率计算公式为：

其中，η_m(λ)代表器件衍射效率，m代表衍射级次，d代表衍射结构高度，λ为光波长，n(λ)为材料在设计波长下的折射率。

根据多层衍射元件的相位高度计算公式(3)，多层衍射元件的衍射效率计算公式为：

其中，η_m′(λ)代表多层器件衍射效率，m代表衍射级次，λ为光波长，d1、d2和d3是不同层的衍射结构的高度，n1(λ)、n2(λ)和n3(λ)是材料在不同波长下的折射率，根据多层衍射元件的效率计算公式，计算多层衍射元件在宽带下的不同级次的衍射效率；

(3)、三维加工点云数据的获取；

具体步骤如下：在完成多层衍射光学元件器件的参数计算及衍射效率的计算后，根据计算得到的器件的表面轮廓的高度信息，然后再通过MATLAB、C++或Visual Basic编程语言，编写转换程序将器件的表面轮廓信息转换成加工系统可识别加工的三维点云数据，以(x，y，z)的数据格式导出到预先命名好的Txt文本中，以便于后期加工使用；

(4)、飞秒激光直写制备多层衍射元件；

飞秒激光直写制备多层衍射元件包括三部分，分别是样品的前期准备、飞秒激光增材制造以及器件的后烘、显影与干燥；

具体步骤如下：

首先，样品的前期准备：将显微镜盖玻片放入超声机中，超声清洗10-30min，去除玻璃片表面的大尺寸玻璃碎屑和灰尘颗粒；在使用丙酮和无水乙醇浸泡的棉球依次擦拭后，使用去离子水反复冲洗玻璃片表面，去除玻璃片表面残留的无水乙醇后，放在真空干燥箱中干燥；在清洗干净的盖玻片表面滴上光学树脂；将样品片放在加热台上前烘，前烘后在室温环境下冷却；

其次，飞秒激光增材制造：将准备好的样品片放置到振镜基飞秒激光直写加工系统中，在该加工系统中，由光纤飞秒激光振荡器产生的飞秒脉冲激光依次通过衰减片和光闸，经过反射镜反射后通过扩束系统，光束尺寸扩大后的激光束通过扫描振镜控制光束偏转角度，然后由4F光学系统将激光束的角度偏转投影到物镜入瞳处，由高数值孔径物镜将入射光紧聚焦到加工样品内部，配合位移台的移动，从而实现三维扫描；同时，由照明光源、长波通滤光片、以及成像CCD组成实时监控系统，实时观察样品加工过程中的状态；正式加工前，将激光聚焦到聚合物薄膜与衬底片交界面的位置，以该位置作为加工的起始界面；然后，将步骤三中获取的多层衍射光学元件的点云文本文件导入到加工软件中，通过调节衰减片位置并在物镜前测量激光功率选择合适的加工功率；最后，在加工软件上设置合适的单点曝光时间，点击开始按钮，开始逐点扫描加工；

最后，器件的后烘、显影与干燥：将样品片放在加热台上后烘一定时间，样品在后烘的过程中，飞秒激光扫描过的部分发生交联；后烘结束后，将加工后的样品置于光刻胶显影液中浸泡显影一定时间；显影结束后，将样品从显影液中取出，自然干燥；最终制备得到宽带高效率的多层衍射光学元件。