二元光学元件的设计与应用 - gile

长期以来, 提起光学元件, 人们很自然地想到透镜、反射镜、棱镜和光栅等。随着光学技术，特别是以光通信为代表的光电子技术的不断蓬勃发展，以及光、机、电一体化的趋势，对光学系统中的元件提出了小型化、阵列化与集成化的高要求。基于折反射的传统光学元器件对此“心有余而力不足” ，难以满足使用要求。

威尔得坎普(Veldkamp)在美国MIT林肯实验室设计新型传感系统中，率先提出了“二元光学”的概念。

他当时描述道：“ 现在光学有一个分支，它几乎完全不同于传统的制作方式，这就是衍射光学，其光学元件的表面带有浮雕结构；由于使用了本来是制作集成电路的生产方法，所用的掩模是二元的，且掩模用二元编码形式进行分层，故引出了二元光学的概念。”

1.二元光学的定义

2.二元光学的基本原理

□ 设计出高衍射效率介质表面的位相结构。

3.二元光学元件的特点

4.二元光学元件的优点

5.二元光学元件的设计

6.二元光学元件的应用

①.二元光学微透镜阵

半导体阵列激光器产生的激光阵列需要聚合形成一个高功率的激光束，光计算中将一个点光源产生N×N点阵列，集成电路工艺中产生多重像等都需要微透镜阵列。传统微透镜阵列是用小透镜排列而成的, 这是非常困难的事情（尤其在透镜很小时）

例如Veldkamp等人用微电子技术成功地制作出二元光学微透镜阵列这种元件可以在1c㎡的平板玻璃表面制作2万个微透镜, 每个透镜直径仅55um大小。

②.衍射光学激光共振腔

传统的双光束分束器件, 利用不同介质介面的反射和折射原理, 在介质上镀一定的膜系而得, 但要改变分束的能量比是比较困难的, 常见的办法是在同一基片上在不同的区域镀不同的膜系来实现的用微电子技术可以制成空间结构变化的光栅,这种光栅的衍射的正负一级能量随着结构的变化而变化,分出的两束光的强度比可以连续调节, 并易于复制、寿命长。

激光分束器可用于多孔同时加工，光纤耦合等。激光钻孔的具体应用包括包装工业中易撕裂的纸箱和金属膜，香烟过滤嘴，方便面筛孔，液体和气体排放管道，汽车安全气囊中金属片的预先弱化，高速激光毛化等。

我们可以将一束激光分割成近百万束高度均匀的激光束。

④.自聚焦微分滤波片

将具有微分功能的位相型差频复合光栅和具有聚焦功能的位相型菲涅耳波带板组合而成的一个二元光学元件。其设计的滤波器的掩膜版如图

这种二元老派光学元件成功地完成了Perfect Shuffle 互连以及Clos 互连和蝶形互连等几种互连。如实现4×4 Shuffle 网络的二元光学元件模版如图

二元光学元件应用还有许多其他的报道, 如光计算中的光互连可以通过一个二元光学元件将两组地址按一定要求连接起来；光强高斯分布的光束通过一个二元光学波整形器变成平顶型光束；它还能制作光纤藕合器等等。

从上面看到，二元光学元件可以完成用传统的光学元件难以处理的工作，这些应用将会丰富我们现有的光学元件家族，当然，更广泛的二元光学元件的应用研究，还有待于继续进行。