基于灰度激光直写技术的谐波衍射透镜的高精度制造方法及其光谱成像性能

《Optics & Laser Technology》：High precision fabrication method and spectral imaging performance of harmonic diffractive lenses based on grayscale laser direct writing technology

连续面谐波衍射透镜（HDL）通过灰度激光直写（GLDW）结合全流程非线性校正方法制造，成功获得直径50mm的HDL，平均衍射效率＞85%，光谱分辨率0.6nm，空间分辨率130 lp/mm，波前误差优于λ/20。

　　

Xin Liu|Min Li|Shanghong Guan|Jiang Bian|Baiping Lei|Junfeng Du

中国科学院光学与电子研究所，中国成都610209

摘要

与阶梯轮廓的菲涅尔衍射透镜相比，连续轮廓的谐波衍射透镜（HDL）具有更宽的成像光谱和更高的衍射效率。本文分析了使用灰度激光直写（GLDW）技术制造HDL所面临的挑战。提出了一种连续轮廓控制方法，该方法采用全流程非线性校正来优化整个制造过程中引入的非线性误差。最终，成功制造出了一种直径为50毫米、平均衍射效率超过85%的HDL。此外，通过实验验证了该HDL的光谱成像特性。结果表明，测得的光谱分辨率为0.6纳米，空间分辨率为130线对毫米（lp/mm），与理论值一致。波前误差的均方根（RMS）小于λ/20（λ=632.8纳米）。

引言

与基于+1阶衍射光的菲涅尔衍射透镜（FDL）用于聚焦成像，以及基于亚波长结构的超透镜用于相位控制相比，具有更高共振阶数的谐波衍射透镜（HDL）在波长选择性、衍射效率、色散特性等方面具有更多优势[[1], [2], [3], [4]]。因此，它在轻量化高分辨率成像、微型光谱成像仪器、激光并行处理技术等领域具有广泛的应用前景。然而，高精度制造HDL非常困难。

2019年，S. M. Kim使用玻璃成型技术通过玻璃碳微模具制造了一种HDL。这些模具具有负形状的菲涅尔轮廓，是通过使用金刚石车削加工的镍模具对呋喃前驱体进行碳化制备的。该HDL的测量表面粗糙度（Ra）为16±2纳米，仅适用于非成像光学元件。Y. Lou提出了一种基于谐波衍射技术的可调焦液晶菲涅尔区透镜。通过研究灰度激光直写（GLDW）和压印技术，制造出了一种具有三种可切换焦距的菲涅尔透镜。但该透镜的衍射效率仅为70%，空间分辨率为22.6线对毫米（lp/mm），远低于理论值。2023年，T. M. Hayward使用灰度光刻技术制造了一种HDL。所有测量环的平均绝对高度误差为778纳米，标准偏差为1.49微米。该HDL的集成效率仅为60%。V. Stankevic使用飞秒激光加工在熔融石英中制造了一种多层菲涅尔轴锥，但其周期限制在19.5微米，515纳米波长的最大衍射效率为80%。P. Zheng使用GLDW技术制造了一种直径为10毫米、F数为10的HDL，其衍射效率达到了82%。

根据文献研究，目前制造的HDL的衍射效率通常不超过80%，导致光能利用率较低[10]。此外，对HDL的光谱成像特性的研究不足，无法充分支持其在相关领域的应用。

本文首先分析了HDL的微观结构和衍射特性。然后，提出了一种基于全流程非线性校正的连续轮廓控制方法，以优化GLDW技术。最终，成功制造出了一种直径为50毫米的HDL，并对其光谱成像特性进行了全面表征。测试结果显示，该HDL的平均衍射效率超过85%，光谱分辨率和空间分辨率分别达到0.6纳米和130线对毫米（lp/mm），波前误差的均方根（RMS）小于λ/20（λ=632.8纳米）。成像效果接近衍射极限，满足了光学系统的使用要求。

部分摘录

HDL微观结构特性分析

衍射透镜是一种特殊的衍射光学元件（DOE），它是通过去除常规折射透镜内部不参与相位调制的材料而获得的。当去除折射透镜的内部材料时，可以通过对相位函数进行2π相位调制来实现，例如图1(a)所示的阶梯轮廓FDL。图1(b)所示的连续轮廓HDL也可以通过将相位函数除以2Mπ相位来实现。

纳米制造

选择GLDW技术作为连续轮廓HDL的制造方法。本文使用的GLDW设备是来自德国海德堡公司的DWL 66+。该设备采用串行逐条扫描的方式，最小线宽为0.6微米。激光能量可以划分为255 Gy级别。HDL的制造过程如图3所示。首先，在基底表面旋涂一层均匀厚度的光刻胶（PR）。然后，使用GLDW设备进行加工。

光谱成像特性

对所制造的HDL的光谱成像特性进行了测试，包括衍射效率、光谱分辨率、空间分辨率和波前误差。

结论

本文提出了一种基于全流程非线性校正的连续轮廓控制方法，以优化整个制造过程中引入的非线性误差。最终，成功制造出了一种直径为50毫米、平均衍射效率超过85%的HDL。此外，通过实验验证了该HDL的光谱成像特性。结果表明，测得的光谱分辨率为0.6纳米，空间分辨率为130线对毫米（lp/mm）。

作者贡献声明

Xin Liu：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、监督、资源管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。Min Li：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、验证、软件开发、正式分析。Shanghong Guan：概念构思。Jiang Bian：资源管理、概念构思。Baiping Lei：概念构思。Junfeng Du：概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62305342）的支持。