Microoptics Technology

Contents
......Page 7
1: Introduction......Page 10
2.1.1. Basics......Page 20
2.1.2. Performance Criteria......Page 24
2.1.3. Ray Tracing......Page 26
2.1.3.1. Paraxial Approximation......Page 27
2.1.3.2. Exact Method......Page 29
2.2.1. Introductory Comments......Page 31
2.2.2.1. Plastics......Page 32
2.2.2.2. Plastic on Glass......Page 34
2.2.2.3. Glass......Page 36
2.2.3. Glass vs. Plastic......Page 39
2.2.4. Photoresist Based......Page 40
2.2.4.1. Melted......Page 41
2.2.4.2. Etching......Page 43
2.2.5. Microjet Fabrication......Page 45
2.2.6.1. Photothermal Process......Page 46
2.2.6.2. Ion-Exchange Stuffing......Page 50
2.2.6.3. Fabricated Lenses......Page 52
2.2.7.1. Laser Heating......Page 53
2.3.1. Comparison of Capabilities......Page 56
2.3.2. Methods of Analysis of Lens Performance......Page 57
2.3.3. Data Comparison......Page 59
APPENDIX A. LENSES DERIVED FROM SURFACE TENSION......Page 65
APPENDIX B. RAY-TRACE ALGORITHM......Page 70
3.1. INTRODUCTION......Page 78
3.2.1. Path in a Rod with Gradient Index......Page 79
3.2.2. Imaging Forms of the Radial Profile......Page 83
3.2.3. Matrix Ray Trace for Rod Lenses......Page 86
3.3. PLANAR LENS......Page 88
3.3.1. Planar Ray Trace......Page 90
3.3.2. Imaging Condition......Page 93
3.4. METHODS OF FABRICATION......Page 94
3.4.1. Ion Exchange......Page 95
3.4.1.1. Relation of Refractive Index to Concentration......Page 98
3.4.1.2. Control of Index Profile......Page 100
3.4.1.4. Methods of Fabrication......Page 102
3.4.2.1. Glass......Page 110
3.4.2.2. Polymers......Page 113
3.4.3.1. Photochemistry in Porous Glass......Page 115
3.4.3.2. Photosensitive Glass......Page 121
3.5. ANALYSIS AND COMPARISON......Page 125
3.5.1. Profile......Page 126
3.5.2. Aberrations......Page 129
4.1. DIFFRACTION THEORY REVIEW......Page 138
4.1.1. Fresnel–Kirchhoff Diffraction Integral......Page 139
4.1.2. Fraunhofer Diffraction......Page 140
4.1.3. Diffraction Gratings......Page 142
4.1.4. Diffractive Elements in Relation to Refractive Elements......Page 145
4.1.5. Diffractive Lenses......Page 147
4.1.5.1. Corrected Lenses......Page 148
4.2. METHODS OF FABRICATION......Page 149
4.2.1.1. Direct Write......Page 150
4.2.1.2. Gray Scale Mask......Page 151
4.2.2. Binary Optics......Page 154
4.2.2.1. Photolithography......Page 159
4.2.2.3. Laser Ablation......Page 163
4.3. ANALYSIS......Page 164
4.3.1. Chromatic Aberration......Page 166
4.3.2. Fabrication Limitations on Lens Design......Page 167
4.3.2.1. Resolution and Numerical Aperture......Page 168
5.1. INTRODUCTION......Page 174
5.2. OPTICS OF ONE-TO-ONE ERECT IMAGING......Page 177
5.2.1. Refracting Lens Array......Page 179
5.2.2. GRIN Lens Arrays......Page 181
5.3. DEVICE APPLICATIONS......Page 184
5.3.1. Field Scan/Copiers......Page 185
5.3.2. Line Scan/Facsimile Readers......Page 186
5.4.1. Measurement Technique and Typical Results......Page 188
5.4.2. Factors That Determine Contrast......Page 192
5.5. RADIOMETRY......Page 197
5.5.1. Experimental Measurement......Page 203
5.5.2. Field Scan Exposure......Page 204
5.6. FURTHER ASPECTS OF FABRICATION......Page 207
6.1. INTRODUCTION......Page 212
6.2. APPLICATIONS......Page 213
6.2.1.1. Laser Diode Array Collimators......Page 214
6.2.1.2. Expanded Beam/Gaussian Optics......Page 222
6.2.1.3. Crossbar Switch......Page 226
6.2.2.1. LED Print Bar......Page 230
6.2.2.2. Camera Autofocus......Page 232
6.3.1. Shack-Hartman Wavefront Analyzer......Page 236
6.3.2. Parallel Processing (VCSELS)......Page 237
6.3.3. Laser Eye Protection......Page 240
6.3.4. Projection LCD-TV......Page 243
6.3.5. 3D Images......Page 250
6.3.6. 3D Optical Switch......Page 255
APPENDIX A. GAUSSIAN BEAM IMAGING......Page 258
7.1. INTRODUCTION......Page 266
7.2. TYPES OF DIFFRACTION GRATINGS......Page 268
7.2.1. Thin Gratings (Q, Small)......Page 269
7.2.2. Thick Gratings......Page 272
7.3.1.1. Photolithography......Page 274
7.3.1.2. Molding......Page 277
7.3.2. Photosensitive Films......Page 278
7.3.3. Thick Gratings......Page 281
7.3.3.1. Photosensitive Materials......Page 282
7.4.1. Optical Interconnects......Page 304
7.4.2. Optical Waveguide Components......Page 307
APPENDIX A. ‘‘DERIVATION OF KRAMERS–KRONIG RELATION’’......Page 317
8.1. BACKGROUND......Page 326
8.2. POLARIZERS......Page 330
8.2.1. Dichroic Polarizers......Page 331
8.2.2. Wire-Grid Polarizers......Page 334
8.2.4. Reflection from Thin Metal Layers......Page 337
8.2.5. Optical Waveguide Polarizers......Page 339
8.2.6. Birefringent Crystals......Page 341
8.3. WAVEPLATES......Page 343
8.3.1. Single Crystals......Page 345
8.4. BEAM SEPARATORS......Page 346
8.4.1. Single Crystals......Page 347
8.4.2. Form Birefringence Structures......Page 349
8.5. FARADAY EFFECT......Page 351
8.5.1. Reciprocity......Page 354
8.5.2. Verdet Constants......Page 355
8.5.3. Other Nonreciprocal Effects......Page 357
8.6.1. Polarization-Insensitive Isolator......Page 358
8.6.2. Integrated Planar Isolator......Page 361
8.6.3.1. Array Isolator......Page 363
8.6.3.2. Filters......Page 365
8.6.3.3. Tunable Gain-Flattening Filter......Page 366
8.9. APPENDIX A.: JONES MATRIX......Page 369
9.1. BACKGROUND AND INTRODUCTION......Page 374
9.2. FREQUENCY VS. K DIAGRAMS......Page 380
9.3. STRUCTURES......Page 384
9.3.2. Three-Dimensional......Page 385
9.3.3. Magnetic Photonic Crystals......Page 386
9.4. PHOTONIC CRYSTAL FIBERS......Page 390
9.4.1. Generalized Description of Propagation of Light in Fiber......Page 392
9.4.2.1. Endlessly Single Mode Behavior......Page 398
9.4.2.2. Dispersion......Page 401
9.4.3. Hollow-Core Photonic Crystal Fibers......Page 402
9.5.1. E-Beam Lithography......Page 407
9.5.3. Other Methods......Page 408
9.5.4.1. Capillary ‘‘Stack-and-Draw’’......Page 412
9.5.4.2. Bragg-type Waveguides......Page 413
9.5.4.4. Extrusion......Page 414
9.6.1. Filters......Page 416
9.6.2. Microcavities......Page 419
9.6.3. Waveguides......Page 421
9.7.1. Solid-Core Fiber Applications......Page 425
9.7.1.1. Soliton Fiber......Page 426
9.7.1.2. Parametric Amplification......Page 427
9.7.2. Hollow-Core Fiber Applications......Page 428
9.7.2.1. Ultra-low Loss Telecommunication Fiber......Page 429
9.7.2.2. Light Pipes for High Power......Page 438
9.7.2.3. Deep UV Harmonic Generation......Page 439
APPENDIX A. MATHEMATICAL FRAMEWORK......Page 441
ACKNOWLEDGMENT......Page 443
10.1. INTRODUCTION......Page 448
10.2. GENERAL THEORY OF OPTICAL DAMAGE IN SOLIDS......Page 450
10.3.1. Absorbing Materials......Page 452
10.3.2. Dielectric Materials......Page 454
10.3.3. Other Applications......Page 456
10.4.1. Typical Refractive Index Altering Exposure Set-up......Page 459
10.5. PHYSICAL MECHANISM FOR INDEX CHANGE......Page 463
10.5.1. Thermal Model......Page 466
10.5.2. Color Center Model......Page 467
10.5.3. Structural Change Model......Page 468
10.6. DEVICE APPLICATIONS......Page 470
10.6.1. Waveguide Structures......Page 471
10.6.2. Couplers......Page 472
10.6.3. Gratings......Page 474
10.6.5. Optical Storage......Page 479
10.6.6. Miscellaneous Applications......Page 482
10.7. INTERACTION WITH CRYSTALS......Page 485
10.8.1. Mode-Locked Lasers: Ultra-short Pulses......Page 487
11.1. BACKGROUND......Page 498
11.3. NEGATIVE REFRACTIVE INDEX......Page 501
11.4. NEGATIVE INDEX MATERIALS......Page 503
11.5. METHODS OF PRODUCING NEGATIVE REFRACTIVE INDEX BEHAVIOR......Page 506
11.5.1. Use of Resonant Structures......Page 507
11.5.2. Photonic Crystals......Page 512
11.6.1. Behavior of Negative Refractive Index Lens......Page 516
11.6.2. Optical Waveguide......Page 518
11.6.3. Negative Refraction Devices......Page 525
APPENDIX A. NEGATIVE EFFECTIVE REFRACTIVE INDEX......Page 527