Nguyên lý và sự phát triển của các phần tử quang học nhiễu xạ

Phần tử quang học nhiễu xạ là một loại phần tử quang học có hiệu suất nhiễu xạ cao, dựa trên lý thuyết nhiễu xạ của sóng ánh sáng và sử dụng thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) và quy trình sản xuất chip bán dẫn để khắc cấu trúc bậc thang hoặc cấu trúc nổi liên tục trên chất nền (hoặc bề mặt của thiết bị quang học truyền thống). Các phần tử quang học nhiễu xạ mỏng, nhẹ, kích thước nhỏ, có hiệu suất nhiễu xạ cao, nhiều bậc tự do thiết kế, độ ổn định nhiệt tốt và đặc tính tán sắc độc đáo. Chúng là những thành phần quan trọng của nhiều dụng cụ quang học. Vì nhiễu xạ luôn dẫn đến hạn chế về độ phân giải cao của hệ thống quang học, nên quang học truyền thống luôn cố gắng tránh những ảnh hưởng bất lợi do hiệu ứng nhiễu xạ gây ra cho đến những năm 1960, với sự phát minh và sản xuất thành công phép đo ảnh ba chiều tương tự (analog holography) và ảnh ba chiều máy tính (computer hologram) cũng như biểu đồ pha đã tạo ra một sự thay đổi lớn trong quan niệm. Vào những năm 1970, mặc dù công nghệ ảnh ba chiều máy tính và biểu đồ pha ngày càng hoàn thiện, nhưng vẫn khó chế tạo các phần tử cấu trúc siêu mịn với hiệu suất nhiễu xạ cao trong vùng bước sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại, do đó hạn chế phạm vi ứng dụng thực tế của các phần tử quang học nhiễu xạ. Vào những năm 1980, một nhóm nghiên cứu do W.V. Feldkamp dẫn đầu từ Phòng thí nghiệm Lincoln của MIT tại Hoa Kỳ lần đầu tiên đưa công nghệ in thạch bản của sản xuất VLSI vào sản xuất các linh kiện quang học nhiễu xạ, và đề xuất khái niệm “quang học nhị phân”. Sau đó, nhiều phương pháp xử lý mới tiếp tục xuất hiện, bao gồm cả việc sản xuất các linh kiện quang học nhiễu xạ chất lượng cao và đa chức năng. Nhờ đó, sự phát triển của các phần tử quang học nhiễu xạ đã được thúc đẩy mạnh mẽ.

Hiệu suất nhiễu xạ của một phần tử quang học nhiễu xạ

Hiệu suất nhiễu xạ là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá các phần tử quang học nhiễu xạ và các hệ thống quang học nhiễu xạ hỗn hợp có chứa các phần tử quang học nhiễu xạ. Sau khi ánh sáng đi qua phần tử quang học nhiễu xạ, nhiều bậc nhiễu xạ sẽ được tạo ra. Thông thường, chỉ có ánh sáng của bậc nhiễu xạ chính được chú ý. Ánh sáng của các bậc nhiễu xạ khác sẽ tạo thành ánh sáng tán xạ trên mặt phẳng ảnh của bậc nhiễu xạ chính và làm giảm độ tương phản của mặt phẳng ảnh. Do đó, hiệu suất nhiễu xạ của phần tử quang học nhiễu xạ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình ảnh của phần tử quang học nhiễu xạ.

Phát triển các phần tử quang học nhiễu xạ

Nhờ vào các phần tử quang học nhiễu xạ và khả năng điều khiển sóng mặt linh hoạt, hệ thống và thiết bị quang học đang phát triển theo hướng nhẹ hơn, thu nhỏ hơn và tích hợp hơn. Cho đến những năm 1990, nghiên cứu về các phần tử quang học nhiễu xạ đã trở thành lĩnh vực hàng đầu trong ngành quang học. Các thành phần này có thể được sử dụng rộng rãi trong hiệu chỉnh sóng mặt laser, tạo hình dạng chùm tia, tạo mảng chùm tia, kết nối quang học, tính toán song song quang học, truyền thông quang vệ tinh, v.v.