大视场3D激光主动成像衍射激光分束器设计及制作研究

With the development of 3-D laser active imaging ladar technologies, a novel laser splitter with a large field of view (FOV) which could be realize higher imaging resolution quickly will be researched. Firstly, the modulation characteristics between laser and a sub-wavelength structure would be modeled and calculated based on the magnetic wave vector propagation theory and scalar diffraction theory. Secondly, the splitter with a large diffraction angle will be designed using scalar diffraction propagation approach and modified using vector diffractive approach, and the non-uniform splitting angle will be put forward to eliminate angle distortion of the imaging object as well; Thirdly, several process fabrication such as project mask-moving lithography and femtosecond laser ablation to make the laser splitters with complicated continuous surface structure will be researched to overcome or decrease the over-lay errors of the former binary optical element(BOE), and a reactive ion etch(RIE) processing could be used transform the profile into the optical glass substrate and realize the high FOV splitter with high diffraction efficiency(DF) and high uniformity.

随着3D激光主动成像、激光雷达的发展，大视场、高分辨率、并行快速及轻量化已成为其发展趋势。并行快速成像中的激光分束器已成为该系统中三大核心部件之一。针对可以快速获取高分辨率的大视场、高分束阶的激光分束器，开展非规则复杂面形亚波长结构与激光相互作用的研究，采用电磁波传输的标量衍射理论进行大衍射角度激光分束器初始结构设计，结合电磁波传输矢量衍射理论对该亚波长结构激光分束器进行矢量修正，以及大视场情况下的激光分束角度、成像目标线距离之间的非线性激光分束方法，设计高衍射效率、高分束均匀性、高分束阶、大视场激光分束器；开展缩小投影式掩模移动曝光一次成形或飞秒激光烧蚀直接成形、反应离子刻蚀转移的工艺技术进行亚波长微纳结构的制作研究，获得高衍射效率、高均匀性、大视场的衍射激光分束器。

摘要：光栅是最基本的两类光学元件之一（另一基本光学元件为透镜）。衍射激光分束器是复杂化的衍射光栅，它将任意输入的激光束均匀地分成任意所需的多光束，有着非常广泛的应用领域，例如用于快速三维形貌测量的激光雷达(Lidar)、激光加工中的快速并行激光加工、以及激光显示等。主要指标为衍射角度视场及分辨率，分辨率主要取决于光栅的口径，而视场角主要取决于DOE的特征线宽（最小设计单元尺寸）。随着激光雷达、激光加工、激光显示需求的发展，对大视场衍射激光分束器提出了一些更高的要求,原有的设计方法可能产生较大的误差而不再适用，同时制作技术也有待进一步提高才能满足大角度衍射激光分束器的实际要求。本项目就是基于这一需求而开展了大角度视场的衍射激光分束器的立项、研制等工作。本项目从以下三个方面进行了深入细致的研究：（１）开展了基于标量和矢量计算方法不同角度衍射情况下的衍射激光分束器的远场光场分布，并给出了不同衍射角度时二者计算结果的差异，同时分析了角度设计时的适用条件；（２）设计了多种不同分束阶（从25阶、32阶、64阶甚至到128阶）、分束视场(Field of View, FOV)从几个mrad到10°、不同分束光强分布要求（均匀分布，非均匀分布）、通光口径从Φ10mm到Φ127mm、波长从532nm到1064nm条件下的多种多台阶(从８台阶到16台阶)衍射激光分束器，其设计均匀性及衍射效率均超过双９０％；（３）采用投影曝光设备、接近／接触式光刻机等设备，制作了线宽达到亚微米的多台阶衍射激光分束器，满足了诸多用户的重大应用需求。