人工可设计的微纳结构能够在亚波长尺度内对光的相位、振幅、偏振及色散特性进行精确调控,是现代信息光电子技术与先进光学制造的重要物质基础。随着光学系统向小型化、集成化和智能化方向发展,传统依赖体光学元件的系统架构在尺寸、重量及集成密度方面已逐渐逼近物理极限,亟需新的技术路径实现突破。
微纳结构光学通过构建亚波长尺度的人工单元阵列,实现对电磁波传播行为的精准调控,为光场工程提供了前所未有的自由度。其中,基于几何相位调控机制的微光学元器件,通过对纳米尺度单元结构的周期性或准周期性排布,在超薄结构中实现对波前、偏振态与相位分布的独立调控,显著提升了光学系统的功能集成度与设计灵活性。该类器件在超表面光学、全息成像、偏振调控、光学信息加密及高分辨成像等领域展现出重要应用前景,被认为是推动平面光学与新一代光子技术发展的关键支撑技术。
然而,当前微纳光学研究与工程应用中仍存在一个制约行业发展的核心瓶颈:
光学设计能力与高精度制造能力之间尚未形成有效闭环。
在理论与仿真层面,研究人员已能够借助 Python、MATLAB、Labview、C++ 等数值平台实现复杂相位分布的精确建模与多参数优化,获得理想化的波前调控方案。然而,在进入实际制造环节时,设计数据往往需要经过多次人工转换与再处理,包括数据格式重构、灰度映射调整、结构轮廓重绘及加工参数反复标定等步骤。
上述过程带来的问题主要体现在:
相位信息在转换过程中出现量化误差与动态范围压缩;
结构几何形貌与理论模型之间存在系统性偏差;
加工一致性与批量可重复性难以保证;
理论仿真结果与实验测试结果之间难以形成精确对应关系。
其根本原因在于,目前尚缺乏一套从“相位设计”到“制造路径生成”的标准化、自动化、可控化技术体系。理论设计与物理实现之间仍存在数据结构、物理量表达方式及加工参数映射机制的不匹配问题。
因此,构建一套面向相位元件或DOE的数字化制造系统,实现
相位分布 → 结构高度 → 加工文件 → 实体样品
的全流程自动映射与闭环控制,对于推动微纳光学技术从“实验室验证”向“工程化应用”转化具有重要战略意义。
一、Python实现软件
1)任意相位输入及制造程
2)任意图片输入及制造过程
3)数据传输至制造系统界面
二、Matlab实现软件
1)任意纯相位(或图片)输入及制造程
2)数据传输至制造系统界面
该软件的建立为实现以下关键突破提供技术支撑: