[发明专利]衍射光相位可控的二维达曼光栅

说明书

技术领域

本发明涉及一种衍射光学元器件，特别是一种衍射光相位可控的二维达曼光栅。

背景技术

达曼光栅是一种能将单一光束分成若干等强度光束的衍射光学元件，由于其制作简便衍射效率高，在并行刻写、图像复制等领域发挥着重大作用。然而，相干通信及相干检测技术的发展对分束的光波提出了更高的要求，不仅要求强度相等，而且相位值也相同或呈二值分布。

专利(CN102360091B)针对上述要求提出了等位相等光强分束达曼光栅及制备方法，该技术在传统达曼光栅设计的基础上对衍射光的相位进行了约束，实现了将单一波长的入射平面波在远场分成若干等相位等光强的光束。但该技术只针对一维的达曼光栅进行设计，当分束的数目较大时，由于衍射光只在一维方向上排列，占用空间较大，使得系统结构较大，整体装置笨重。虽然可以通过叠加两个一维的光栅形成可分离二维达曼光栅以解决上述问题，但此类二维光栅的衍射效率较低，因为其效率为两个一维光栅效率的乘积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种衍射光相位可控的达曼光栅，该达曼光栅在单色平面光波的照射下可使得二维分布的若干束等强度衍射光相位至多为2阶，极大地方便了相干通信及相干检测等技术的相位匹配过程。

本发明的技术解决方案如下：

一种衍射光相位可控的二维达曼光栅，其特点在于构成是把每一个光栅周期分为N*M个矩形单元，其中N和M均为整数；该光栅分束阵列定义为一个矩形的光束阵列分布，其中列方向的光束数目为该光栅在x方向上的分束比，行方向光束数目为该光栅在y方向上的分束比；

当分束阵列为(2L+1)*(2K+1)时，所需的衍射级次的光强I(fl,fk)均相等，其中fl表示沿x轴方向上的衍射级次，fk表示沿y轴方向上的衍射级次，I(fl,fk)表示沿x轴衍射级次为fl同时沿y轴衍射级次为fk的光强，l的取值范围为[-L,L]的整数，k的取值范围为[-K,K]的整数；

当分束阵列为(2L+1)*(2K)时，所需的衍射级次的光强I(fl,fk)均相等，l的取值范围为[-L,L]的整数，k的取值范围为[-2K+1,2K-1]的奇数；

当分束阵列为(2L)*(2K+1)时，所需的衍射级次的光强I(fl,fk)均相等，l的取值范围为[-2L+1,2L-1]的奇数，k的取值范围为[-K,K]的整数；

当分束阵列为(2L)*(2K)时，所需的衍射级次的光强I(fl,fk)均相等，l的取值范围为[-2L+1,2L-1]的奇数，k的取值范围为[-2K+1,2K-1]的奇数；

所需的衍射级次的相位为0或π，该二维光栅两个方向上的周期均已归一化，一个周期的相位延迟A(n,m)的值采用全局优化算法进行编程优化算，其中(n,m)表示矩形单元在该光栅周期中的坐标，n表示x轴上的坐标，m表示y轴上的坐标，n的取值范围为[1,N]的整数，m的取值范围为[1,M]的整数，每个单元的相位延迟A(n,m)的值二值化，为1或为exp(iθ)，当该单元值为1时表示该矩形单元对入射光相位延迟为0，当该矩形单元值为exp(iθ)时，该单元对入射光相位延迟为θ；远场衍射光的复振幅表达式为：

由此得出每个衍射级次的光强为：

I(f_l,f_k)＝T(f_l,f_k)·T^*(f_l,f_k)

其中，T^*(f_l,f_k)表示T(f_l,f_k)的复共轭；

每个衍射级次的相位为：

其中，Imag{.}表示取虚部，Real{.}表示取实部。

一个光栅周期内A(n,m)分布的不同对应着不同的远场分布，通过全局优化算法优化A(n,m)的分布可得到所需衍射级次的强度和相位分布，特别地，使所需衍射级次拥有相等的强度分布，衍射级次的相位值至多为2个。当分束比为奇数(2L+1)时，所需的衍射级次为0，±1，±2，…，±L。当分束比为偶数2L时，所需的衍射级次为±1，±3，…，±(2L-1)。

衍射光相位可控的二维达曼光栅的描述参数包括：

1.衍射光相位可控的二维达曼光栅的分束比，即在二维方向上所需的衍射级次的个数。

2.一个光栅周期被分为完全相同的单元的数目N*M。