1、本科毕业设计（20届）光栅光阀新结构的光学性能分析所在学院专业班级电子信息科学与技术学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要【摘要】光栅光阀是一种基于MEMS技术的衍射光器件，在投影成像、打印以及光通信等领域获得了广泛的应用。光栅光阀发展到今天历经了三代结构的变化，本文通过对三代光栅光阀不同结构的比较，在第三代结构的基础上自主的提出了光栅光阀新结构，详细分析了光学参数对光栅光阀光学性能的影响，并通过模拟计算验证了光学参数与光学性能之间的关系，为以后光栅光阀的工艺制作提供了理论指导。【关键词】光栅光阀；衍射光栅；光学性能；MATLAB模拟计算。IIABSTRACT【ABSTRACT】GRATI
2、NGLIGHTVALVEISAMEMSBASEDDIFFRACTIVEOPTICALDEVICES,ANDITHASAWIDERANGEOFAPPLICATIONSINPROJECTIONIMAGING,PRINTING,OPTICALCOMMUNICATIONSANDOTHERFIELDSGRATINGLIGHTVALVEHASCHANGEDINTHESTRUCTUREOFTHREEGENERATIONSSINCEITWASGENERATEDTHEDIFFERENTSTRUCTURESOFTHREEGENERATIONSOFGRATINGLIGHTVALVEARECAMPARED,ANDAN
3、EWSTRUCTUREOFTHEGRATINGLIGHTVALVEISPROPOSEDINDEPENDENTLYBASEDONTHETHIRDGENERATIONOFSTRUCTUREWEDETAILEDLYANALYSIZETHEOPTICALPARAMETERSOFTHEGRATINGLIGHTVALVEANDITSEFFECTSTOTHEOPTICALPROPERTIES,ALSO,THROUGHTHESIMULATIONTHERELATIONSHIPBETWEENTHEOPTICALPROPERTIESANDTHEOPTICALPARAMETERSOFTHEGRATINGLIGHTVA
4、LVEISVERIFIEDTHISWORKPROVIDESATHERETICALINSTRUCTIONTHETHEFABRICATIONOFTHEGRATINGLIGHTVALVEINTHEFUTURE【KEYWORDS】GRATINGLIGHTVALVE；DIFFRACTIONGRATING；OPTICALPROPERTIES；MATLABSIMULATIONIII目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111光栅光阀简介112研究背景及历史现状113光栅光阀的应用314研究内容及课题意义415本文结构42光栅光阀新结构421光栅光阀制作难点422光栅光阀新结构提出523工作原理53光
5、栅光阀新结构光学性能分析631光学性能分析6311光学效率7312相位差7313衍射效率932衍射光强1033本章小结124MATLAB模拟计算1341MATLAB简介1342MATLAB系统计算13421可动梁位移量与衍射光强的关系13422外加电压与衍射光强的关系15423不同衍射角度与衍射光强的关系1743本章小结195总结2051本文总结2052发展展望20参考文献21致谢错误未定义书签。11绪论11光栅光阀简介光栅光阀GLVGRATINGLIGHTVALVE技术最早由斯坦福大学DAVIDBLOOM教授及其研究小组于1992年提出，1994年成立了SLM（SILICONLIGHTMAC
6、HINE）公司来推广这一技术在投影显示方面的应用。1998年基于VLSI（VERYLARGESCALEINTEGRATION）技术的GLV被正式申请为专利1。在当时的光栅光阀中，基底的材料是硅，可动梁的材料是SIN2，在可动梁和基底之间镀上一层反射材料（铝膜），相邻的梁和基底之间在镀上铝膜之后的高度差为入射光波长的二分之一。梁的厚度是入射光波长的四分之一。通过静电产生的引力拉动可动梁，使可动梁产生位移。由于可动梁的位移量相对入射光波长比拟，因此这种GLV器件的响应时间远远小于传统器件的响应时间，达到S量级2。光栅光阀是一种基于微型机电系统MEMS3工艺的一种新型器件光调制器,利用其表面具有的可
7、选择的变形部分可动光阀,提供衍射光栅。GLV技术可提供高速度、高可靠性，并可通过大批量生产来获得低成本。GLV技术提供了完成光的开关、调制和衰减的一种可靠方法。基于GLV技术的器件同时结合了高速度、高精度、高可靠性和容易制造等特点，已经在仿真、显示、直接制版和光通信等要求苛刻的市场领域中得到了实际应用和验证4。12研究背景及历史现状光栅光阀是一种衍射型相位光栅器，它的发展可以分为三个阶段，每个阶段光栅光阀的结构也发生着变化，分别为一代结构（图11）、二代结构（图12）、三代结构（图13）。图11一代光栅光阀的结构A反射B衍射一代光栅光阀主要由基底（硅）、梁（氮化硅）、梁表面的金属膜（铝膜）组成
8、，其中铝层大大提高了在光栅光阀工作过程中梁表面的反射率。在没有外加电压的情况下，整个器件就像一面反光镜，直接将入射光反射回去；在有外加电压的情况下，静电产生的拉力使得梁产生弯曲，弯曲方向朝向基底，改变了梁与基底之间的距离，此时的距离变为入射光波长的四分之一，这时的器件就产生了衍射的效果。2随着时间的推移以及科学的进步，二代结构也随之产生。如图12所示。二代光栅光阀的结构组成与一代结构大致相同。不同的是在一代结构中所有的梁都是固定的，而在二代结构中，加入了固定梁和可动梁，固定梁和可动梁是间隔分布的。工作的时候，对固定梁和可动梁同时施加电压，可动梁会因为静电力的作用产生移动，而固定梁维持原来的位置
9、和形状不变。当可动梁向基底移动，与固定梁之间形成四分之一光波长的高度差时，光栅光阀进入衍射状态。图12二代光栅光阀的结构但是无论是一代结构还是二代结构，都存在着同样的一个缺点可动梁和固定梁产生形变的时候很容易与基底发生粘附现象，造成可动梁无法恢复到原来的位置和形状，致使光栅光阀器件失去作用。为了避免上述问题的发生，同时解决可动梁产生形变时与基底的粘附现象，经过反复的研究和大量的实验，我们现在常用的光栅光阀结构也就是第三代光栅光阀结构成功问世，如图13所示。图13三代光栅光阀结构在第三代光栅光阀结构中，固定梁和可动梁依然是间隔分布的排列在距离衬底一定距离的同一高度上，但是加大了固定梁和可动梁距离
10、衬底的高度差。这样的话，在衍射状态下，当可动梁移动4的距离时，可动梁距离衬底还有一段距离，不会使得可动梁与衬底发生接触，就避免发生粘附现象，有效地避免了由于粘附现象而使器件失去作用。图13中，RW是梁的宽度，GW是相邻固定梁与可动梁之间的间隔距离，是可动梁向基底移动的位移，是光栅的周期，从图中可以看出，GRWW2，H是初始状态情况下固定梁和可动梁与基底之间的距离。这种结构的光栅光阀现3在已经大量的运用到显示领域。13光栅光阀的应用光栅光阀器件目前已经在应用的和正在开发的应用主要是在投影显示、印刷设备（打印设备）以及光通信领域5。投影机方面6与目前大多数LCD、LCOS等投影仪器相比，光栅光阀器
11、件的响应速度快，大量制作时的合格率也比较高。尤其是它的图像质量，对比度达到30001，图像质量很高。另外，有别于传统投影仪器的白炽灯光源，光栅光阀器件的投影机采用激光器件作为投影光源，大大提高了光源的使用寿命，以及提高了光源的亮度，光色的纯度。光栅光阀器件通过扫描电路控制像素数量，可以随意控制图像显示的比例，因此一些特殊的高度与宽度比例可以很容易的实现。2000年，索尼公司从SLM公司获得了利用这项技术开发、制造和销售显示及投影设备的独家授权。同年秋天，索尼公司又制造出了基于光栅光阀技术的19201080逐行扫描投影机。光通信方面目前光学通信网络中大多是使用12和22配置的小型光学开关，在系统
12、故障时用来连接冗余设备和备用光纤。这种简单的开关一般都是成本低损耗低的器件。伴随着全光网络概念的出现和光学部件比例更高的网络的发展，许多业界人士认为光学路由的建立和拆卸将会更加频繁。在新的网格状拓扑结构中，数据路径的分离和插入的频率将会更高。所以要求光学开关器件要有更高的速度以及可靠性，而全光网络需要很多光学开关器件，在光栅光阀技术基础上的光学开关能够很好地满足运行速度、可靠性和成本方面的要求6。计算机制版机光栅光阀器件的许多优点使得它在印刷系统中也获得了很好的应用。目前被广泛应用的激光照排系统，在工作的时候，需要先对胶片进行二次曝光，然后再将胶片与最终的印刷用PS版紧贴在一起进行二次紫外曝光
13、，从而最终获得装上印刷机的印版。在把胶片向PS印版的转移过程中，手工操作以及环境的变化都会产生误差，从而影响到最终印刷品的质量。计算机直接制版COMPUTERTOPLATE，CTP技术7除去了胶片的曝光过程，直接将图像的数据曝光到涂有特殊感光/感热材料的铝基PS版上，从而改正了激光照排过程的许多不足之处，获得了更好的印刷效果。潜力比较大的计算机直接制版版材是热敏版，由于它的曝光原理是利用激光照射产生的高温使涂布的化学材料发生亲水/亲油的物理性质变化，因此需要很高的激光能量，其功率水平可高达数十千瓦每平方厘米。而光栅光阀器件有一个优点就是可耐受大功率密度。光栅光阀器件采用简单稳定的材料制造，外围
14、结构和导体是硅、多晶硅和硅二极管。这些材料都是非常稳定的。更重要的是，在条状结构附近没有太靠近的控制电路。在CTP应用中，由于它的高分辨率、大数据量，制版过程中光的开关速度非常快。光栅光阀器件的高可靠性和可耐受高能量密度的优点正好满足了CTP制版机的要求。目前，德国爱克发AGFA公司和日本网屏SCREEN公司已经在其计算机直接制版系统中采用了基于光栅光阀技术的光学部件。414研究内容及课题意义光栅光阀结构中的每一个参数，对光栅光阀器件的机械性能和光学性能都有着很重要的影响，这些决定了器件能不能正常工作。本课题对光栅光阀新结构的器件进行了比较详细的光学性能分析，在物理光学的理论公式的基础上进行了
15、计算求解，得出了各个参数对器件光学性能的具体影响表现。通过模拟得到的结果，可以确定光栅光阀光学参数和衍射光强之间的关系，该结论将对光栅光阀的工艺制作起到指导性作用。这些结论对光栅光阀器件实际制作提供了理论依据，可以用来指导实际器件制作中的参数选择。15本文结构在导师的指导下，本人翻阅了一些国内外比较专业的参考资料，并做了一定的研究。对常用的光栅光阀器件进行了一些了解，并对光栅光阀新结构光学性能进行了理论的分析和MATLAB模拟计算。具体的章节及内容安排如下第一章概述了一下课题的历史背景，研究的内容以及课题的意义。第二章描述了在现实工艺制作中光栅光阀存在的实验设备和技术难点，提出来光栅光阀的新结
16、构，并简要的说明了光栅光阀新结构的工作原理。第三章阐述了光栅光阀的结构参数及光学参数对光学性能的影响，提出了影响光栅光阀光学效率的三个要素，分别是光栅光阀的衍射率、光栅光阀结构中的填充因子、梁表面铝膜的反射率。通过查阅资料，整理推导出简单相位差公式、衍射效率公式、衍射光强公式。第四章应用MATLAB模拟计算实现了建立在公式基础上的模型，在MATLAB计算过程中，通过设置一个或者几个参数不变，改变其他参数的大小来实现光学性能的对比分析，进一步加深了光栅光阀新结构光学性能的理论分析，重点分析了可动梁位移量、外加电压及不同衍射角对于衍射光强的影响。第五章本文的总结和发展展望。2光栅光阀新结构21光栅
17、光阀制作难点在工业制作三代光栅光阀的过程中，一般用的都是离子刻蚀、湿法腐蚀、光刻等工艺手段。为了能制造出衍射效率高的光栅光阀器件，所以我们要尽可能的让相邻两个梁之间的间隔距离GW越小越好，这不仅需要具有高精确度的制作设备，还需要相当高的工艺制作要求标准。但是依照我们国内目前的制作工艺水平以及实验室的设备条件，还远没有达到需要的标准。在理论制作过程中，实验所需要用到的正光刻胶的分辨率应小于05M，实际上制作过程中我们能达到的的光学分辨率5仅仅只有达到2M，因此很难制作出梁间隔距离GW小于或者等于2M的光栅光阀713。22光栅光阀新结构提出为了在提高光栅光阀的光学效率，同时尽量简化制作工艺步骤，减
18、小制作工艺难度，我们提出了一种全新的光栅光阀结构。该光栅光阀的结构如图21所示。图21光栅光阀的新结构这种光栅光阀的结构组成与传统组成方式一致，包括基底、可动梁和固定梁、金属铝膜。但是又与传统结构不同的是我们用蒸镀的铝膜代替了传统光栅光阀中的氮化硅作为固定梁的材料；并且固定梁和可动梁的排列摆放也进行了一些改动。传统的光栅光阀，在初始状态下，固定梁和可动梁是两两相邻间隔的悬浮在距离基底相同的同一平面上，而我们的这个光栅光阀在初始状态下，固定梁是紧紧贴在基底的表面，可动梁悬浮在距离基底一定位移的平面上，它们之间的高度差就是空气层厚度H。在制作的方面，舍弃了传统工艺的可动梁和固定梁同步制作的方法，而
19、采用先用离子刻蚀、化学腐蚀、光刻等工艺掏空牺牲层使得可动梁悬空，然后再蒸镀铝层制作固定梁。这样做有很多个好处，与传统光栅光阀的结构相比，既提高了工作黑区的填充因子数值大小，减小了固定梁与可动梁之间的黑区范围，从而大大提高了衍射效率，又很大程度上简化了器件制作的工艺步骤，降低了制作光栅光阀器件的难度。23工作原理光栅光阀是光线反射元件,由一条条带状的固定梁和可动梁所组成,通过对可动梁施加一定的电压，可动梁在静电力的作用下进行向下移动。在不施加任何外加电压的时候，可动梁保持不动，这个时候光栅光阀器件处于“反射状态”。在对可动梁施加外加电压的时候，电压产生的静电力使得交替间隔的可动梁向下移动，此时光
20、栅光阀成为一个衍射光栅,工作在“衍射状态”,再加上其反射装置的快速切换速度,达成了影像的再生。光的衍射作用使得光栅光阀不管在“反射状态”还是在“衍射状态”都存在一定的光能量的泄漏，降低了以光栅光阀为核心器件的投影机的投影性能14。图22是一个典型的光栅光阀单元的结构示意图。6图22典型光栅光阀单元结构示意图光栅光阀利用光反射原理，一个像素由彼此隔开的多个可动梁和固定梁组成,这些可动梁和固定梁的表面镀有具有高反射效率的铝膜。当固定梁处在基底底层，可动梁处在距离基底的同一高度时,这些可动梁相当于一个平面,此时的光栅光阀起到了平面镜的功能,当后续光能收集系统处在如图23所示的地方时,就没有光进入光能
21、量收集系统，这时显示为“反射状态”当静电力开始发生作用,可动梁向下移动一定的位移,形成衍射光栅,此时显示为“衍射状态”,亮度会随着可动梁的向下移动距离的不同，控制反射光与折射光的比例变化,从而形成不同的灰度层次,也可以靠保持在某种工作状态的时间来实现不同的灰度层次。图23光栅光阀器件的工作原理3光栅光阀新结构光学性能分析光栅光阀是基于光栅的衍射原理工作的光学器件，是一种光调制器。利用它的表面的可动光阀，来提供衍射光栅，被广泛应用于投影显示设备等领域。光栅光阀的结构参数不但决定了器件本身的机械性能，更对器件的光学性能有重大影响，可以说，光栅光阀光学性能的好坏决定了它在投影显示系统中应用的成败。因
22、此，对光栅光阀的光学性能进行分析具有很重要的意义。下面就光栅光阀器件的光学性能做一个理论的研究和分析。31光学性能分析7311光学效率通过查阅资料1519，可以发现光栅光阀器件的光学性能主要体现在它的光学效率上面，而光学效率又主要是由三个因素决定的光栅光阀的衍射率、光栅光阀结构中的填充因子、梁表面铝膜的反射率。本课题对光栅光阀新结构光学性能的分析，着重应用光栅光阀的衍射理论，因此对于填充因子以及梁表面的反射率在这里不作详细的介绍。下面将是对光栅光阀的衍射率的分析及计算，在推导出衍射效率公式之前，我们首先要推算出相位差的计算公式，然后才能得出衍射效率公式，最后推导出光学性能的直接体现公式衍射光强
23、公式。312相位差由于我们提出的这个新结构光栅光阀在初始状态下固定梁与可动梁不处在同一平面上，所以固定梁与可动梁之间存在着一个高度差，也就是空气层厚度H，因此入射光与入射到可动梁与固定梁上经过衍射得到的衍射光有一个光程差。图31展示的是一个在工作状态下的光栅光阀的光学简图。图31光栅光阀的光学简图其中0是入射角，I是衍射角，可动梁和固定梁的宽度都为W，可动梁与固定梁之间的高度差是H。下面就是对入射光光程差和衍射光光程差的计算过程了，计算的时候，我们主要是根据图32和图33的示意图进行演算。首先计算入射光到达固定梁和可动梁时的光程差，从图32我们可以经过简单的几何运算快速的得出所需要计算的参数0
24、1TANHW（31）012TANHWWWW（32）入射光程差01021SINSINWWD（33）然后把公式（31）和公式（32）代入到公式（33）中，经过公式的简化，可以得到入射光光8程差001COSSINHWD（34）图32入射光光程差的简示图同样的，根据图33，我们也可以快速的得出衍射光的参数IHLCOS1（35）IIHWLSINTAN（36）衍射光光程差12LLD（37）把公式（35）和公式（36）代入公式（37），然后经过公式简化，简化后的衍射光光程差IIHWDCOSSIN2（38）9图33衍射光光程差的简示图经过衍射后的光程差0012COSSINCOSSINHWHWDDDII（39）
25、因此可以得到相位差00COSSINCOSSIN22HWHWDII（310）313衍射效率根据光栅的衍射理论可以知道，衍射光中的零级衍射效率为HRRRRGRGR2COS2COS1212COS2220（311）一级衍射效率为2SIN2SIN42221RR（312）在这两个方程中，RR是梁的反射率，GR是梁间缝隙的反射率，是填充因子，它的表达式为GRRWWW，其中RW是梁的宽度，GW是相邻固定梁与可动梁之间的间隔距离，是可动梁向基底移动的位移，H是初始状态情况下固定梁和可动梁与基底之间的距离，是入射光的波长。在实际计算的过程中，我们要假设忽略反射率对衍射效率的影响，即假设1GRRR，因此公式（311
26、）和公式（312）可以简化为以下两个方程H2COS2COS1212COS2220（313）102SIN2SIN42221（314）以公式（314）为参考例子，考虑一级衍射效率方程式。通常情况下，衍射效率的大小与填充因子密切相关，在位移的距离一定的情况下，填充因子越大，得到的衍射效率越大。理论上一级衍射效率的最大值应该是零级衍射效率最大值的24倍，也就是差不多04倍的样子。通过模拟分析可以得出，当可动梁的位移距离4时，各填充因子下的衍射效率都达到最大值；而在梁的位移距离一定的情况下，填充因子越大衍射效率越大。其实我们可以这样理解，就是梁的宽度RW一定，那么填充因子越大表示相邻的两个梁之间的间隔距
27、离GW越小，说明光栅光阀器件的工作黑区范围越小，所以衍射效率才会越高。32衍射光强图31是光栅光阀工作状态时的简易图，根据图31，我们可以知道入射角和衍射角的大小分别是0和I。由于满足夫琅禾费衍射理论适用的范围，我们可以用夫琅禾费衍射来分析光栅光阀的光学性能。由夫琅禾费衍射理论可知GRATINGJKPXDXEFCPE,（315）其中，E是衍射复振幅，C是归一化常数，,F是光栅的传递函数，波矢量2K，是入射光的波长，0SINSINIP。因为光栅具有周期性，所以公式（315）可以改为1011NNPERIODJKPXJKPJNKPPERIODJKPXJKPXDXFEEEDXFECEPEN（316）式
28、中N是光栅周期数，F是一个周期内的传递函数，表达式为24,2XEFJ44,2XEFJ（317）上式中的由下面的方程式求得IHCOS1COS120（318）如果入射角和衍射角太大，就会超出夫琅禾费衍射理论的适用范围，所以不能应用上面的的公11式来求解。为了能在夫琅禾费衍射理论的适用范围内进行计算，我们需要满足入射角和衍射角较小的条件。因此公式（318）可以近似的简化成H4（319）于是可以得到一个周期内的衍射复振幅DXFECPEJKPXD242442422DXEEDXEEDXEECJKPXJJKPXJJKPXJJKPEEEJKPEEEJKPEEECJKPJKPJJKPJKPJJKPJKPJ422
29、44224244SIN22SIN2SIN22SIN2COS0KPKPKPKPJKPKPNE（320）式中，CNE0，表示的是光栅上入射平面波的复振幅。那么光栅光阀衍射光强可以表示为21111PEEEEEPEPEPIDDJKDJKNDJKDJKN222SIN2SINPEKPKPND（321）将公式（320）代入到公式（321）中，可以得到222222204SIN2SIN2SIN2SIN2COS2SIN2SINKPCKPCKPCKPKPNNIPI（322）式中的0I是入射光强，N是光栅周期数。当0KP时，光栅零级衍射，此时的零级衍射光强为COS122COS00200IIKPI（323）对于第N级0
30、N，NKP2时，光强达到最大值，其表达式为2SINCOS12220NCINKPIN（324）12当2KP时，得到一级衍射极大值，表达式为COS12COS124220021IIKPI（325）33本章小结光栅光阀新结构中的每一个参数，对于光栅光阀器件的机械性能和光学性能都有很重要的影响，这些参数决定了光栅光阀器件的规格和实用性，决定了器件是不是能够正常工作。本章对光栅光阀新结构进行了比较详细的光学性能分析，在物理光学的基础上进行公式推导以及计算，这些推导出来的简化公式是下一章节MATLAB建模计算的基础。134MATLAB模拟计算41MATLAB简介MATLAB软件是一种功能强大的科学计算和工程
31、仿真软件，它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。它的交互式集成界面能够帮助用户方便快捷地完成数值分析、公式计算、数字信号处理、模拟建模、系统优化等功能。MATLAB语言与数学表达的形式相同，不需要传统的程序设计语言，因此相对于其他高级语言的难以掌握来说，MATLAB是一门比较易于掌握的语言。MATLAB的一大特点是提供了很多专用的工具箱和模块库，例如通信工具箱和模块库，数字信号处理工具箱和模块库，控制工具箱和模块库。MATLAB在这些工具箱和模块库中提供了很多常用的函数和模块，使得模拟计算更容易实现。MATLAB的特点是编程效率高，方便使用，扩充的能力强，语句简单易懂，内涵丰
32、富，高效简便的矩阵数组运算和方便快速的绘图功能2021。42MATLAB系统计算本课题应用到MATLAB的功能，主要通过公式建立模型，然后通过设置固定参数和变量参数的方式，改变变量数值，得出不同的参数之间的关系图，对比在其他参数一定的情况下改变变量参数得出的关系图之间的差别，通过差别的比较，得到我们理想中的理论参数值。本次MATLAB主要对以下几个方面进行模拟计算衍射光强与可动梁位移量的关系；衍射光强与外加电压的关系；衍射角与衍射光强的关系。421可动梁位移量与衍射光强的关系通过分析公式（325），我们可以知道，固定梁与可动梁之间的高度差412NH时，其中、210N，一级衍射光能得到衍射光强极
33、大值。本次课题中，我们采用的入射光波长分别是1550NM和1310NM，固定梁的厚度是300NM，可动梁的厚度是300NM，空气层（也就是牺牲层）的厚度是2500NM，于是可以算出固定梁与可动梁之间的初始高度差，以入射光波长为1550NM为例，初始高度差0H25003002800NM。但是在实际的实验操作中，一级衍射光强达到极大值时，N是0到3之间的一个自然数。下面以入射波长1550NM为例，来讨论N在不同数值的情况下，可动梁的位移量的数值。当N0时，4H3875NM，可动梁的位移量是2800387524125NM；当N1时，43H11625NM，可动梁的位移量是28001162516375N
34、M；当N2时，45H19375NM，可动梁的位移量是2800193758625NM；当N3时，47H27125NM，可动梁的位移量是280027125875NM。从上面的计算得结果我们可以得出，随着N值的逐渐增大，固定梁和可动梁的高度差也在逐渐14增大，可动梁的位移量却在不断的减小。图41表示的是入射光波长分别为1550NM和1310NM时的可动梁的位移量与零级光衍射率的关系曲线图，图42表示的是入射光波长分别为1550NM和1310NM时的可动梁的位移量与一级光衍射率的关系曲线图。02004006008001000120014001600180020000010203040506070809
35、1DISPLACEMENTNM0ORDEROPTICALINTENSITY可动梁移动量与零级光衍射率的关系曲线可动梁厚度300NM可动梁厚度500NM（A）1550NM020040060080010001200140016001800200000102030405060708091DISPLACEMENTNM0ORDEROPTICALINTENSITY可动梁移动量与零级光衍射率的关系曲线可动梁厚度300NM可动梁厚度500NM（B）1310NM图41可动梁位移量与零级光衍射率的关系曲线1502004006008001000120014001600180020000005010150202503
36、03504045DISPLACEMENTNM0ORDEROPTICALINTENSITY可动梁移动量与一级光衍射率的关系曲线可动梁厚度300NM可动梁厚度500NM（A）1550NM0200400600800100012001400160018002000000501015020250303504045DISPLACEMENTNM0ORDEROPTICALINTENSITY可动梁移动量与一级光衍射率的关系曲线可动梁厚度300NM可动梁厚度500NM（B）1310NM图42可动梁位移量与一级光衍射率的关系曲线从图41和图42中，我们可以明显的看出，对于不同的可动梁厚度，可动梁的移动量也不同。可动
37、梁的厚度越小，越快达到衍射极大值。同时，在可动梁的厚度相同的情况下，入射光波长小的那条曲线达到衍射极大值时，它的所需可动梁位移量也相对较小。422外加电压与衍射光强的关系在上一段文章中提到过30N，在N0的时候，可动梁的位移量是24125NM；在N1的时候，可动梁的位移量是16375NM；在N2的时候，可动梁的位移量是8625NM；在N3的时候，可动梁的位移量是875NM。根据可动梁最大位移量与外加电压的关系公式20022016DHLVM（41）16其中介电常数088512102MF，梁的厚度D300NM，梁的长度L200M，空气层厚度0H2500NM，初始应力0200MPA。把可动梁的位移量
38、代入公式（41），可以算出在N0的情况下外加电压是202V；在N1的情况下外加电压是166V；在N2的情况下外加电压是121V；在N3的情况下外加电压是39V。从中可以看出，随着N的增大，外加电压在不断地减小。当固定梁与可动梁之间的高度差达到47时，可动梁需要位移875NM，而只需要施加39V的外加电压就能使得一级衍射光强达到极大值。图43表示的是外加电压与零级光衍射效率的关系曲线，图44表示的是外加电压与一级光衍射效率的关系曲线。05010015020025000102030405060708VOLTAGEV0ORDEROPTICALINTENSITY外加电压与零级光衍射率的关系曲线空气层厚
39、度2500NM空气层厚度3000NM（A）1550NM050100150200250010203040506070809VOLTAGEV0ORDEROPTICALINTENSITY外加电压与零级光衍射率的关系曲线空气层厚度2500NM空气层厚度3000NM（B）1310NM图43外加电压与零级光衍射率的关系曲线170501001502002500005010150202503035VOLTAGEV0ORDEROPTICALINTENSITY外加电压与一级光衍射率的关系曲线空气层厚度2500NM空气层厚度3000NM（A）1550NM0501001502002500005010150202503
40、035VOLTAGEV0ORDEROPTICALINTENSITY外加电压与一级光衍射率的关系曲线空气层厚度2500NM空气层厚度3000NM（B）1310NM图44外加电压与一级光衍射率的关系曲线从图43和图44中看出，空气层厚度对于外加电压与光的衍射率有一定影响。空气层厚度越小，零级光衍射率和一级光衍射率达到最大值时所需要的外加电压越小。同时，空气层厚度相同的情况下，入射光波长小的曲线达到衍射极大值时所需的外加电压小于入射光波长大的曲线达到衍射极大值时所需的外加电压。423衍射角度与衍射光强的关系由公式（322）可以推算出在不同的衍射角度情况下的衍射光强的变化。在理论分析的过程中，我们首先
41、假设正入射入射角00。不同的衍射角度，我们这里理解为光栅周期的不同以及入射光波长的不同。图45表示的是不同入射光波长的衍射角与衍射光强的关系曲线图，在图中，我们采用的波长分别是1550NM、1310NM和6328NM，光栅周期是10M，空气层厚度是2500NM。18302010010203000102030405060708ANGLERELATIVEOPTICALINTENSITY不同入射波长的衍射角与与衍射光强的关系波长1550NM波长1310NM波长6328NM图45不同波长的衍射角与衍射光强的关系通过对图45的观察，我们可以看到，波长不同，衍射光强极大值的半角宽度不同，衍射光强的极大值也
42、不同。在衍射角为0的情况下，入射波长越小，它的衍射光强极大值越大；在衍射角为10和10的情况下，入射波长越小，它的衍射光强极大值越小。也就是说，入射波长不仅会对衍射光强极大值的半角宽度造成影响，还会对衍射光强的极大值的大小造成影响。图46表示的是光栅周期不同的衍射角与衍射光强的关系曲线图，在图46中，我们首先假设入射波长为1550NM，空气层的厚度为2500NM，光栅周期分别是10M、15M和20M。3020100102030000501015020250303504ANGLERELATIVEOPTICALINTENSITY不同光栅周期的衍射角与与衍射光强的关系光栅周期10UM光栅周期15UM
43、光栅周期20UM图46不同光栅周期的衍射角与衍射光强的关系从图46中，我们可以清楚的看到，光栅周期不同，衍射光强极大值的半角宽度不同，达到衍射光强极大值时的衍射角度也不同。光栅周期小的曲线，它的衍射光强极大值的半角宽度明显大于19光栅周期大的曲线的衍射光强极大值的半角宽度，并且，达到衍射光强极大值时的衍射角也越小。光栅周期小，表示固定梁与可动梁的宽度窄，但是在现实的的制作工艺中，由于受到实验设备以及制造设备的限制，使得实际生产的梁的宽度有限制，梁的宽度不能无限小。43本章小结在上一个章节中，我们推导并计算出了一些光学参数的公式，在本章中，我们应用这些推导出来的简化公式，利用MATLAB这款软件
44、，对光栅光阀新结构的光学性能进行分析，通过MATLAB模拟计算得到了光学参数与光学性能之间的关系图，从关系图中可以直接看到不同参数对于光栅光阀器件工作性能的影响，这些结论对光栅光阀器件的实际制作中提供了很有力的理论依据以及参数选择，对今后实际器件的制作具有一定的指导意义。205总结51本文总结本课题的主要工作是以下几个方面1、对传统的光栅光阀进行一定的了解，包括它的问世，发展和结构的改变，对比了它们之间的共同点和不同点，以及每一代光栅光阀结构的优缺点，并在此基础上，通过自己对国内外相关资料的查阅，提出一种新的光栅光阀结构。2、弥补传统光栅光阀结构中的不足，完善新提出的光栅光阀理论结构。对新结构
45、的结构参数进行整理分析，由于本课题是对新结构光学性能的分析，所以要对参数进行公式推导和计算，公式的推导以及简化计算是一个比较难度比较大的过程，在公式的推导过程中，通过不断的翻阅资料，了解光学性能的参数，顺利的完成了光学性能参数的推导和计算。3、在光学性能参数公式计算完之后，在简化公式的基础上进行MATLAB模拟计算，通过设置定量参数和变量参数的方式，得出光学参数与光学性能之间的关系图，然后根据关系图分析光学参数对光栅光阀新结构器件的光学性能具体影响。通过关系图的对比，得出理想中的参数结果。52发展展望本文主要介绍了光栅光阀新结构的提出，以及光学参数的公式推导、简化、计算，比较深入的研究了光学参
46、数对于光栅光阀器件光学性能的影响。应用MATLAB编程软件，根据计算得到的参数公式，进行模拟计算，对模拟计算中得出的参数与光学性能之间关系图对比分析，得到理想上的分析结果。但是本次课题仅仅局限于理论分析，没有直接工艺制作出实际的光栅光阀器件，这是本次课题的不足之处。光栅光阀器件由于它卓越的处理速度、超高的光学效率、使用寿命长、成像稳定的优势已经在许多不同的领域获得了广泛的应用。随着市场需求量的增大和对性能要求的提高，光栅光阀器件在适用光谱范围、结构等方面展现出新的发展趋势。目前，更多新的应用正在开发之中。我相信，随着光栅光阀的发展趋势越来越好，全世界的投影显示领域将跨上新的台阶。21参考文献1
47、钟灿涛,新型MEMS器件光栅光阀GLV的原理及应用2004,174762张洁，黄尚廉，付红桥，闫许，陈伟民光栅光阀的光学特性分析和仿真2005，25145214563朱长纯，赵红坡，韩建强，崔万照MEMS薄膜中的残余应力问题2003,530334宋镜明,阮玉,杨宜,王继平对光栅广阀（GLV）器件进行数值分析及其在DEG上的应用2004，95195215李俊,陈海清,余洪斌,王忠光栅光阀的应用、模拟技术和发展趋势2005，711156激光与光电子学进展，光栅光阀投影仪2003，4037397TEKLASPERRYGLVTOMMORROWTV2004,4404180SOLGAARD,ESASAND
48、EJAS,ANDDMBLOOMDEFORMABLEGRATINGOPTICALMODULATOR1992,16886909TIMOTHYPKURZWEG,JOSEAMARTINEZ,STEVENPLEVITANETALSYSTEMSIMULATIONOFAGLVPROJECTIONSYSTEMCPROCSPIE,200316017010SHIGEORAYKUBOTATHEGRATINGLIGHTVALVEPROJECTORJOPTICSPHOTONICSNEWS,2002,9505311DTAMM,REPORTFORTHEDARPAMEMSSEMIANNUALMEETING,PRINCETON,NEWJERSEY,JULY199712DBLOOM,THEGR
