[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

说明书

本发明公开了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，属于功能型光学元件技术领域，通过调整衍射基元的高度及不同材料衍射层的色散匹配，从而实现宽谱高衍射效率的器件结构设计；多层衍射元件的主体部分是光学树脂SU‑8，与之色散匹配的液体是乙二醇。本发明利用“飞秒激光增材制造”技术制备多层衍射光学元件主体，并通过微流控通道泵入乙二醇液体，最终实现光流集成的宽带高效率的多层衍射光学元件及其制备。本发明制备的多层衍射光学元件在宽的工作范围下具有较高的衍射效率；相比于传统的折射透镜，多层衍射光学元件具有体积小，重量轻、结构简单、易于制备、易于集成的优势。

技术领域

本发明属于功能型光学元件技术领域，具体涉及一种简单、通用的光流集成的宽带、高效率多层衍射光学元件及其制备方法。

背景技术

透镜是光学系统中最基本的光学元件，不管是宏观光学系统还是集成光学系统都离不开透镜的使用。传统的透镜利用折射来聚焦光线，透镜对光线的聚焦程度取决于透镜的曲率。如果想实现更大的数值孔径，需要提升透镜的厚度才能实现。而衍射光学元件是基于光的衍射理论工作的光学元件，不需要改变结构厚度，只需要改变结构周期就可以获得更大的数值孔径。因此衍射光学元件在降低传统透镜的厚度和重量，提高系统集成程度方面具有重要意义。

衍射光学元件实际上是利用光栅的分光作用，将入射光波的能量分配到不同衍射级次的焦点上。通常设计衍射光学元件的一级衍射作为主衍射级次。其中能够有效利用的只有主衍射级次的光，其他级次的光会成为杂散光。理论上把主衍射级次的能量E₁占入射光波总能量E的比率称作衍射效率。对于连续表面的衍射光学元件，在设计的波长位置，理论衍射效率可以达到100％。但是衍射光学存在致命的缺点，就是单层衍射光学元件工作带宽低，只有在设计的波长位置，才能够精确闪耀，衍射效率随波长偏离而急剧下降。为了克服这一缺陷，Yoel Arieli等人于1998年提出了一种新型的衍射光学元件，即将两个具有不同色散特性的基底材料制备的衍射光学元件并排放置，在宽谱的范围内消除了像差。2000年9月，佳能公司宣布将多层衍射光学元件应用于摄影镜头。国内研究者也对多层衍射光学系统做了充分的理论研究。通过多层材料之间的色散和折射率匹配，理论上讲可以实现在可见波长范围内，其一级衍射效率可以保持在90％以上。

虽然多层衍射元件很早就被提出来了并且理论模拟的结果也很乐观，但到目前为止应用实例还比较少，困难在于:1、多层材料需要满足特定的色散和折射率匹配条件，所以在材料选择上是受限制的；2、锯齿状的连续相位变化，对加工精度的要求很高；3、多层结构垂直排列，各层微结构的横向对准误差和层叠倾斜误差，都会严重影响多层衍射结构的效率。到目前为止，设计并制备出宽带高效率的多层衍射光学元件仍然具有重要的意义及挑战性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种简单、通用的光流集成的宽带、高效率多层衍射光学元件及其制备方法。通过调整衍射基元的高度及不同材料衍射层的色散匹配，从而实现宽谱高衍射效率的器件结构设计。多层衍射元件的主体部分是光学树脂SU-8，与之色散匹配的液体是乙二醇。利用“飞秒激光增材制造”技术制备多层衍射光学元件主体，并通过微流控通道泵入乙二醇液体。最终实现光流集成的宽带高效率的多层衍射光学元件的设计及制备。

本发明通过如下技术方案实现：

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，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：