マイクロ・ナノ加工｜回折光学系概論

DOE（DiffractiveOpticalElement）とは、光を正確な角度θmでmレベルに偏向させる特殊な光学部品で、次の式で表されます：

回折格子に垂直な角度θiで入射した光線は、出射角θdmの1本または複数の光線に回折されます（θdmは周期Λの関数）。ここで、niは入射媒質の屈折率、ndは出射媒質の屈折率、mは回折ステージで、ほとんどの用途ではm＝1である。レンズの場合、使用したいステージ（通常はm=+1ステージ）を除き、他の回折ステージの効率は最小になります。

図1.1 グレーティング周期、屈折率、回折レベルの関数としての出射角（図中、一部の透過・反射レベルが示されている）。

周期はリソグラフィーを使って横方向の制御を行うためのパラメータで、技術要件でナノメートルレベルまで指定することができる。収差の小さいレンズの場合、この周期の横方向の位置を特別に制御することで、DOEはより望ましい部品となる。例えば、レンズの一般的な用途は光をスポットに収束させることであるが、回折レンズは回折限界のスポットサイズを実現するように設計・製造することができる。図1.2は、2πの位相間隔で入射する平行光ビームの位相面を収束させ、DOEで回折した光がすべて距離FのDOEの上の中心点に集まるようにできる8次集光レンズである。平行ビームの集光に必要なフェーズフロントは，光線追跡法を用いて簡単に求めることができる。各2π離散位相面の位置と距離は、DOE上の各点位置の周期に対応する。これらの値をCADプログラムに入力し、DOEの製造工程で使用する一連のリソグラフィーテンプレートに変換する。プロセスはより複雑ですが、理解しやすく、使用される技術もより成熟しています。

図1.2 8次集光レンズ（DOEで回折されたすべてのビームが距離FのDOE上方の中心点に入射するように、2π位相間隔でコリメートビームを位相前収束させる）。