Diffraktív optikai elemek számítógépes tervezése, szimulálása és kisszériás előállítása kvázi-litográfiás módszerrel

Computer-aided design, simulation, and small-batch fabrication of Diffractive Optical Elements using a quasi-lithographic method

Absztrakt

The fabrication of diffractive optical elements (DOEs) is typically cost-effective only in mass production, as processes such as injection molding, imprinting, and lithography require high initial investment. Small-series or custom elements are therefore economically inefficient. This research aimed to develop a streamlined process for the rapid design and fabrication of DOEs for small-batch applications. The proposed workflow extends from computer-aided design to physical realization. A graphical user interface was developed to support the design process, capable of simulating diffraction patterns of planar surfaces defined by amplitude or phase modulation, and of generating approximate numerical solutions for general interference patterns in the Fraunhofer regime. After generation and simulation-based verification, the pattern is realized using a quasi-lithographic method. The structure is recorded onto fine-grain photographic film with an analog camera, producing a DOE that exhibits both transmissive and reflective amplitude modulation. The feasibility of converting this film-based element into a phase-modulating structure was also examined. Finally, the fabricated elements were experimentally characterized, and their qualitative and quantitative properties were documented.

Kivonat

A diffraktív elemek előállítása rendszerint tömeggyártás mellett megtérülő, hiszen a fröccsöntéssel, préseléssel, vagy litográfiával készített elemek gyártásához nagy kezdeti befektetésre van szükség, és csak nagy darabszám mellett csökken az egy elemre jutó költség ésszerű összegre. Ezért kutatási, fejlesztési és egyedi igényeknek megfelelő, jellemzően kis szériájú elemek előállítása anyagilag nem túl megtérülő. A kutatásom célja ezért egy olyan folyamat / eljárássorozat felállítása volt, amely megkönnyíti és felgyorsítja ezen diffraktív optikai elemek (DOE-k) tervezését és előállítását kisszériás, egyedi célokra. A folyamat a számítógépes tervezéstől indulva egészen a fizikai megvalósításig terjed. A tervezéshezm készült egy grafikus felhasználói felület, ami egy síkfelület diffrakciós mintáját – legyen az amplitúdó-, vagy fázismodulációs minta – szimulálja, valamint numerikus módszerrel közelítő megoldást is tud generálni általános Fraunhofer-tartománybeli interferenciamintára. A generálás és szimulációs ellenőrzés után a minta előhívásra kerül egy kvázi-litográfiás módszerrel. Analóg fényképezőgép segítségével finomszemcsés filmszalagra rögzítve a mintát egy egyszerre tranzmissziós és reflexiós amplitúdómodulációs diffrakciós elemet kapunk. Emellett a kutatás kísérletet tett e szalag fázismodulációs átalakítására. Végül a tárgyalt eljárás segítségével elkészült elemeket megvizsgálva jellegszerű és számszerű tulajdonságok kerültek feljegyzésre.