快速精確的純位相元件離子束刻蝕加工方法
2023-04-29 02:53:21 1
專利名稱：快速精確的純位相元件離子束刻蝕加工方法
技術領域：
本發明涉及對純位相元件進行加工的方法，尤其是涉及離子束刻蝕加工方法。
純位相元件(簡稱PPE)是一種光學器件，已在光通信、強雷射的傳輸與控制、光電系統等領域中得到廣泛的應用。對純位相元件進行加工的方法，目前通常採用新發展起來的離子束刻蝕工藝。在該工藝過程中，首先要對純位相元件的表面進行位相分布曲面的點陣計算，以得到位相分布曲面的點陣數據、從而輸入加工工具機的控制器中進行加工指令的編碼。該點陣數據應使純位相元件上的位相分布曲面連續、即元件表面形態光滑(越光滑，則純位相元件越容易實現精密加工，從而使用效果越好)。現有的離子束刻蝕工藝中所採用的計算方法限於以下兩種一種是Y-G算法為代表的直接計算方法，這種方法計算量很大，為了得到一個較好的結果往往需要消耗大量的計算時間，所以很不經濟，不利於推廣使用。另一種是強迫自恰迭代算法與模擬退火算法相結合的雜化方法(見Wei Wang、Tao Li、Yong-ping Li.A hybrid algorithm forthe design of DOE in uniform illumination. Optics Communication，2000，VOL181.P261～265)，這種算法耗時短，見效快，對光強分布整形的效果也很好。但是這種方法在強迫自恰迭代算法部分會出現過多的位相突變線，這樣在PPE的表面就會出現過多的浮雕突變線，這對於離子束旋轉(或平動)刻蝕工藝而言難以精確實現，成為其投入實用的重要制約因素。
本發明的目的在於提供一種計算耗時短、位相突變線少的純位相元件離子束刻蝕加工方法。
本發明的解決方案如下加工過程按以下步驟進行①根據純位相元件的實際使用需要所提供的輸出光強函數以及波長λ與主透鏡焦距f進行位相分布曲面的點陣計算；②將所得數據輸入加工工具機的控制器中進行加工指令的編碼、並加工出所對應的掩模板；③將所得的掩模板安裝在離子束刻蝕系統中、對基片進行加工，以得到所需的純位相元件；其特徵在於上述第①個步驟的具體過程為(a)將λ和/或f增大到適當的倍數(至少2倍)，同時相應地修改輸出光強分布的函數；(b)將修改後的函數在變化的參數下採用強迫自恰迭代算法進行計算；(c)將計算所得到的位相點陣數據連接為位相分布曲面，視其位相深度是否小於10π，否則將放大比例提高、再次進行計算，直至小於10π；(d)將所得數據採用模擬退火算法進行優化。
本發明是基於以下新發現而提出的。
PPE對於實際應用系統中各類參數(主要是光的波長λ、主透鏡焦距f)存在依賴關係(也可以看成是PPE的通用性)。一般而言，應用PPE的系統都可以簡化為一個傅立葉變換系統。若入射光場的復振幅為Ui(x1，y1)，則出射光場Uo(x2，y2)的分布可表示為U~o(x2,y2)=1jfU~i(x1,y1)T(x1,y1)exp[-j2f(x1x2+y1y2)]dx1dy1-------(1)]]>對於一般的二維普適情況，令計算中入射光束x、y方向的取樣窗口寬度分別為Wxi和Wyi，出射取樣窗口寬度分別為Wxo和Wyo，將香農(Whittaker-Shannon)抽樣定理取如下形式 其中Nx、Ny分別為x、y方向的取樣點數。
考慮到公式(1)和(2)，可以看出λ、f兩個參數實際上具有等效性，它們對結果的影響是相同的，限於篇幅，下面只討論f，結論可以完全相同地推廣到λ。
在計算中將公式全部進行離散化，令 其中Δxi、Δxo和Δyi、Δyo分別為入射和出射取樣窗口在x和y方向的取樣間隔。將(3)帶入(2)可分別得到 可以看出，其它的參數不變的情況下，Δxo與Δyo與f成正比，可以等效的認為f越大，則出射波形就擴展得越寬，且寬度與f成正比。
將(4)代入(1)Up,qo=1jfmnUm,niTm,nexp{-j2f[mpxixo+nqyiyo]}xiyi-----(5)]]> 分別代表 的第(p，q)個和第(m，n)個取樣點。再考慮到(4)，可以得到Up,qo=1jfmnUm,niTm,nexp{-j[Nxmp+Nynq]}-----(6)]]>從式(6)可以看出，求和號內的部分是與λ或f無關的。這樣，可以得到如下的結論 與f成反比關係，並考慮到f為一個實數，這樣對於出射光束 而言，就意味著f不影響其位相，只影響其相對光強度的大小，更不會影響其波形上的分布。同時考慮到式(4)，可以發現f實際上只影響出射光束的相對強度和寬度。λ的情況與f完全相同。
在實際的計算過程中，如果選取較少的取樣點數，位相分布突變線數目必然能夠減少。但是過少的取樣點數又往往會帶來位相失真，甚至破壞抽樣定理，使得理論計算值會與實際所需的結果存在較大的差異，無法滿足實際使用的要求。考慮到最基本的公式(2)，發現N、λ和f具有一定的等效性。這樣，在計算過程中，如果在保證較少的取樣點數的情況下，將λ和/或f增大到適當的倍數(至少2倍)，仍然可以起到較多取樣點數時的相同效果，即不會出現位相失真，而較少的取樣點數也保證了很少的位相突變線數目。但是，變化後的λ和/或f並非是實際應用系統所給定的參數值，這時就可以根據上述結論，將給定的強度函數也作相應的變化，即其振幅大小按與λ和/或f的相同比例進行縮小(即按其反比例作相應的變化)、而分布寬度按與λ和/或f的相同比例進行放大(即按其相同比例作相應的變化)，然後針對變化的函數和參數採用強迫自恰迭代算法進行計算。由上面的結論可以保證，經這種「變參數」過程而計算得到的PPE位相分布與實際的需求應該是一致的，同時它的位相突變線數目也大大減少了。
在具體的計算過程中，波長λ和主透鏡焦距f的取值可以同時變化或單獨變化，即只要二者的乘積按適當比例放大，該比例應當至少使二者放大後的數值乘積與原始的數值乘積之比為2倍。將修改後的函數在變化的參數下採用強迫自恰迭代算法進行計算、就可得到所需的位相點陣數據，此時只存在數目不多的位相突變線；然後，還可以利用位相的2π周期性，將整個位相分布連接成為完整的平滑的位相分布曲面，並視其位相深度是否小於10π，否則將放大比例提高、再次進行計算，直至小於10π；最後，將所得數據採用模擬退火算法進行優化。這樣，就可以在充分保證計算結果滿足實際需求的情況下，得到非常利於後續加工工藝的位相分布數據。
本發明的PPE加工方法中的變參數計算過程，在繼承了強迫自恰迭代算法所具備的耗時短的優良特性的基礎上，利用PPE與實用系統參數之間的依賴關係，在計算中改變某些特定的參數，從而在充分保證輸出光場結果滿足要求的情況下，大大減少了位相分布的突變線。經計算得到的PPE的位相分布曲面，其位相深度一般不超過10π，整個位相曲面光滑無突變，對離子束刻蝕加工過程非常有利。將上述過程編制出相應的計算機軟體予以實用，在充分保證計算指標滿足實際需求的情況下，大大減少了位相突變線，使得後續的離子束(旋轉或平動)刻蝕過程實現了高精度的加工。因此，本發明可以既快速、又精確地實現PPE的離子束刻蝕加工。
附
圖1為變參數計算過程的軟體流程圖；附圖2～6為計算實例結果，其中附圖2、附圖3分別為直接採用強迫自恰迭代法計算得到的PPE位相分布和焦平面強度分布；附圖4、附圖5分別為採用變參數計算所得到的PPE位相分布和焦平面強度分布；附圖6為採用變參數計算、並經過位相連接所得到的PPE位相分布。
PPE加工工藝的變參數計算對於所有需要採用PPE對雷射波陣面進行波面變換的傅立葉變換系統都是適用的。下面以均勻照明問題為例，來具體說明採用變參數計算所產生的明顯的積極效果。
例如，對一種口徑100mm(λ＝0.351μm，f＝600mm)、強度為80階的超高斯分布的入射光束進行整形，希望在焦平面得到口徑20μm的均勻焦斑(頂部調製＜2％，衍射效率＞98％)。變化後的參數取值為λ′＝3λ，f′＝f，振幅大小為原來的1/3，分布寬度為原來的3倍。從圖中可以清楚地看到，雖然採用變參數計算得到的強度旁瓣略有上升，但是光強分布更加均勻，位相突變線數目大大減少。圖2的位相突變線數目多達15條，而圖4的位相突變線只有4條。經過位相連接，我們得到最終的PPE位相分布(見圖6所示)。它的位相深度不超過5π，整個曲面連續光滑，非常有利於工藝加工。而圖2的位相分布在離子束刻蝕工藝中會遇到非常大的困難，甚至根本不能加工。由此可以清楚地看到變參數計算所帶來的明顯成效。
權利要求
1.一種快速精確的純位相元件離子束刻蝕加工方法，其加工過程按以下步驟進行①根據純位相元件的實際使用需要所提供的輸出光強函數以及波長λ與主透鏡焦距f進行位相分布曲面的點陣計算；②將所得數據輸入加工工具機的控制器中進行加工指令的編碼、並加工出所對應的掩模板；③將所得的掩模板安裝在離子束刻蝕系統中、對基片進行加工，以得到所需的純位相元件；其特徵在於上述第①個步驟的具體過程為(a)將λ和/或f增大到至少2倍，同時相應地修改輸出光強分布的函數；(b)將修改後的函數在變化的參數下採用強迫自恰迭代算法進行計算；(c)將計算所得到的位相點陣數據連接為位相分布曲面，視其位相深度是否小於10π，否則將放大比例提高、再次進行計算，直至小於10π；(d)將所得數據採用模擬退火算法進行優化。
全文摘要
本發明涉及對純位相元件進行加工的方法，尤其是涉及離子束刻蝕加工方法。它是將其中的點陣計算過程在繼承了強迫自恰迭代算法所具備的耗時短的優良特性的基礎上進行「變參數」計算，即利用PPE與實用系統參數之間的依賴關係，在計算中改變某些特定的參數，從而在充分保證輸出光場結果滿足要求的情況下，大大減少了位相分布的突變線，使得後續的離子束(旋轉或平動)刻蝕過程實現了高精度的加工。因此，本發明可以既快速、又精確地實現PPE的離子束刻蝕加工。
文檔編號G02B6/136GK1392423SQ0111371
公開日2003年1月22日 申請日期2001年6月19日 優先權日2001年6月19日
發明者李永平, 徐俊中, 王煒 申請人:中國科學技術大學