一種基于雙折射材料的光場調制結構設計方法與流程
本發明涉及光場調控的技術領域，具體涉及一種基于雙折射材料的光場調制結構設計方法。
背景技術：
衍射光學元件是一種相位調制器件，它主要是通過調節其中結構的高度來實現相位調制的。而其中的臺階高度是通過計算機根據目標光場計算設計獲得的，然后通過光刻技術制備而成。衍射光學元件可以用來實現全息成像，聚焦，及光束分割等功能。它有很多傳統光學元件所不具備的功能，比如說小型化，集成化等。
在傳統的衍射光學元件設計中，可以實現將單波長的光在不同的位置處成像，或者多個波長的光在同一個位置處成像。但是，當入射波長是固定的，那么所獲得相位調制也是單一的，也就是說只能在固定位置處成單獨的像。這種成像方式以及相位調制方式過于簡單，難以滿足一些特殊應用的要求。鑒于這種情況，研究者們做了一系列的工作來優化衍射光學元件的設計，以使得在單個波長的時候能夠獲得多種相位調制量。因此偏振調制被引入到衍射光學元件的設計中。在1995年，Xu等人設計了一種結構，實現了兩個不同的相位調制量以及水平和垂直方向上不同的像被同時獲得，但是其衍射效率非常低。1997年，Nieuborg等人報導了一種采用系數匹配材料設計而獲得的衍射元件，提高了其衍射效率，但是系統中包含多種微結構，結構非常復雜，并且矯正誤差很難解決。
2002年，Yu等人設計并制備了一種相位偏振復合型衍射元件，其中包含了一維和二維的亞波長周期結構，但是其中只是兩臺階的結構，效率較低。在2004年，Mark等人報導了一種二維相位選擇型衍射元件，其中包含了任意多個相位臺階數。這種方法極大的提高了衍射效率。然而，其結構非常復雜，并且結構中的每個單元中都包含周期性的褶皺，因此非常難以保證其刻蝕深度的精度，對其成像結構造成了極大的影響。隨著結構材料的發展，在2006年，Wen等人用手性材料來調節光的偏振態，這樣單個波長在同一位置處可以獲得不用的像。但是像素的大小只有幾百納米，這種結構只能用電子束直寫技術來制備，制作成本高，效率低。
因此，如何能夠設計一種結構簡單，制備方便，衍射效率高的結構成為急待解決的問題。
技術實現要素：
本發明要解決技術問題為：克服現有技術的不足，提供一種基于雙折射材料的光場調制結構設計方法，其設計的結構簡單，制備方便，衍射效率高。
本發明采用的技術方案為：一種基于雙折射材料的光場調制結構設計方法，該方法的設計過程包含以下幾個步驟：
步驟(1)獲得目標光場分布；
步驟(2)將目標光場分布進行分別為兩個相位分布Φ1和Φ2；
步驟(3)選擇一種雙折射材料，其對o光和e光的折射率分別為ne和no；
步驟(4)將整個設計區域分為(N,N)個像素；
步驟(5)選擇第(m,n)個像素點，其中1≤m≤N,1≤n≤N，獲得兩個相位分布中該像素點的相位值Φ1(m,n)和Φ2(m,n)；
步驟(6)根據該點的相位值Φ1(m,n)計算獲得該點的初始高度值h1(m,n)；
步驟(7)在h1(m,n)上施加一個高度調制量Δh(m,n)，獲得此時的高度為h1'(m,n)；
步驟(8)利用h1'(m,n)，計算其分別對應的o光和e光的相位調制量，獲得兩個相位調制量為Φ1'(m,n)和Φ2'(m,n)；
步驟(9)將Φ1'(m,n)和Φ2'(m,n)分別與目標相位調制量Φ1(m,n)和Φ2(m,n)相比較取絕對差值，獲得等效相位調制量差ΔΦ1'(m,n)和ΔΦ2'(m,n)；
步驟(10)計算ΔΦ1'(m,n)和ΔΦ2'(m,n)的均方根值RMS(m,n)；
步驟(11)改變高度調制量Δh(m,n)，重復(7)-(10)步驟，直到獲得最小的RMS(m,n)；
步驟(12)選擇此時的h1'(m,n)為該像素處的高度值；
步驟(13)選擇下一個像素點，重復(5)-(12)步驟，獲得所有像素點(N,N)處對應的高度值；
步驟(14)設計完成。
其中，在步驟(4)中，每個像素點的大小由實際可以加工的最小特征尺寸決定，通常可以為幾微米。
其中，在步驟(7)和步驟(11)中，所選擇的高度調制量Δh1(m,n)的大小需在實際可加工的工藝范圍內來選擇。
其中，在步驟(9)中，所謂的等效相位差是指將相位差進行2π折疊之后的值；
本發明的有益效果在于：利用該方法實現目標光場偏振態和振幅的調控，不需要復雜的光路，并且用一片結構就可以實現對入射光的不同相位調制以實現光場的目標偏振態和振幅分布，同時衍射效率高。該方法中的相位片制作簡單，可通過傳統的加工工藝制作得到。該方法對入射光偏振態具有敏感性，當入射光偏振態不同時，其會產生不同的光場。
附圖說明
圖1為本發明實施例中具體設計過程流程圖；
圖2為本發明實施例中目標光場分布示意圖；
圖3為本發明實施例中入射光方向與x軸夾角為0°時，應該獲得的光場分布；
圖4為本發明實施例中入射光方向與x軸夾角為90°時，應該獲得的光場分布；
圖5為本發明實施例中步驟2中所述的將目標光場分割所獲得的相位分布1；
圖6為本發明實施例中步驟2中所述的將目標光場分割所獲得的相位分布2；
圖7為本發明實施例中步驟13中所述的高度分布。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施方式詳細介紹本發明。但以下的實施例僅限于解釋本發明，本發明的保護范圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例，本領域技術人員即可以實現本發明權利要求的全部內容。
具體實施例中一種基于雙折射材料的光場調制結構設計方法，如圖1所示。該方法具體步驟如下：
步驟(1)該設計過程流程圖如圖1所示，首先，獲得目標光場分布，波長為632nm，成像距離為0.7m。該光場分布中，當入射光偏振方向與x軸夾角為45°時，出射光場為一均勻分布的圓形，如圖2所示，當入射光偏振方向與x軸夾角為0°時，應該獲得的光場分布如圖3所示，當入射光偏振方向與x軸夾角為90°時，應該獲得的光場分布如圖4；
步驟(2)將上述目標光場進行分割，獲得兩個對應的相位分布，如圖5和圖6所示；
步驟(3)選擇雙折射材料釩酸釔，其對o光和e光的折射率no和ne分別為1.9929和2.2154；
步驟(4)將整個設計區域分成(1024,1024)個像素點；每個像素點大小為8μm；
步驟(5)選擇第一個像素點，此時相位分布一中對應的相位調制量為Φ1＝1.0824π，相位分布二中對應的相位調制量為Φ2＝1.7176π；
步驟(6)首先針對o光來說，利用其折射率1.9929，計算可得對應的光學高度h1為345.5nm；
步驟(7)為h1加上相位調制量Δh，Δh＝0.02×n，其中n為選擇次數，但是需保證Δh范圍在(0～5)μm之間每間隔0.02μm進行選擇，得到h1'；
步驟(8)對每個h1'，分別計算對應o光和e光的相位調制量Φ1'＝1.0624π和Φ2'＝1.7487；
步驟(9)計算獲得Φ1'和Φ2'和理論相位調制量Φ1和Φ2的差值，并進行2π折疊，獲得等效相位差ΔΦ1'和ΔΦ2'；
步驟(10)計算ΔΦ1'和ΔΦ2'的均方根值RMS；
步驟(11)重復步驟(7)-(10)，得到最小的RMS值為0.0368，以此時的Δh值作為最終值，此時的Δh值為630.5nm；
步驟(12)選擇此時的h1'為此像素處的高度值，此時其高度為976nm；
步驟(13)選擇第二個像素點，重復步驟(4)-(8)，直到(N,N)個像素點計算完畢，獲得所有像素點的高度值，此時整個設計區域內的高度分布如圖7所示，其中的高度最高值為2.657μm；
步驟(14)設計完成。
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