旋转体时域有限差分法对轴对称亚波长衍射光学元件的分析

采用旋转体时域有限差分法对轴对称亚波长衍射光学元件进行严格的矢量分析.推导了旋转体时域有限差分法的基本计算公式;给出了入射波的设置方法;采用了完全匹配层吸收边界条件;改进了平面波谱传播算法,大大简化了计算过程并提高了计算速度.对多台阶微透镜和二元亚波长微透镜进行分析给出了它们焦平面的电场强度分布.数值计算结果表明,本文的算法可以准确且高效地分析轴对称亚波长衍射光学元件.     

亚波长衍射微透镜的设计

设计了连续浮雕衍射微透镜和与其等效的二元亚波长衍射微透镜,采用旋转体时域有限差分法对通过计算机辅助设计出的元件进行了严格的矢量分析,给出了各元件在焦平面的场强分布.分析结果表明,本文设计的二元亚波长微透镜对连续浮雕微透镜有很好的等效效果;填充因子的脉冲宽度调制法要优于填充因子的线性近似法;制作相对误差不大时深度误差和宽度误差对微透镜聚光能力的影响不大.     

温度涨落和波长偏离对衍射透镜性能的影响

根据菲涅耳衍射透镜的特点,阐明了温度色散和波长色散的概念,并建立了相应的数学表达式,给出了衍射效率与温度和波长的关系式,在此基础上做了较为全面系统的理论和数值分析,评估了温度场发生变化以及使用波长和设计波长发生偏离对衍射透镜性能的影响程度.结果表明:波长偏离对衍射透镜性能的影响要比温度涨落明显得多,其中,波长色散具有非线性特征.     

用二维时域有限差分法分析条形多层波导

为精确分析条形多层波导和多量子阱波导，本文提出了一种以二维时 限差分法为基础的全波数值方法，给出了场分布的色散特性的数值结果，并与矢量有限元法已有的结果作了比较；文中还研究了以二维时域有限差分法为基础的标量近似技术，提出了它的有效性和精度的局限性。     

各向异性特异材料波导中表面等离子体的共振性质

使用时域有限差分法,研究了各向异性特异材料(AMM)作为包层的AMM/介质/AMM波导中表面等离子体的共振性质.色散关系表明,当特异材料为负磁导率的always-cutoff型时,AMM/介质/AMM波导支持TE极化的表面等离子体,表面等离子体的波长随着中间介质层的厚度和特异材料磁等离子体频率的减小而变短.在有限长度AMM/介质/AMM波导中,由于两端界面的反射,表面等离子体模在波导中形成Fabry-Perot共振,而实现亚波长的表面等离子体微腔.在共振频率,电场强度在微腔的中部达到最大值,而磁场分别在两端界面处达到最大,电磁能强局域在中间介质层中,这一性质将在可调的具有强局域特性的亚波长微腔及腔量子电动力学中具有潜在的应用.     

光学材料亚表面缺陷处强激光电磁场分布的3维模拟

 利用时域有限差分法求解麦克斯韦旋度方程,研究了光学材料表面缺陷对入射激光场的调制作用,建立了亚表面缺陷的3维模型。以长方体表面缺陷为例,对缺陷附近的光场分布进行了3维数值计算,给出了电场强度3维分布图和缺陷不同尺寸时的最大电场强度。研究表明,相对于2维简化情况,3维表面缺陷对强激光电磁场的调制作用更加明显。     

电磁波在有缺陷介质中的传播特性

本文以麦克斯韦方程组为基础研究了电磁波在具有缺陷的材料中的传播特性.采用时域有限差分法数值计算了电磁波在具有表面和亚表面缺陷的材料内部传递时电场强度的空间分布.计算结果表明,材料表面、亚表面缺陷扰乱了瞬态电场的均匀分布,导致材料内部某些位置的电场强度成倍增大,从而成为材料热学、力学性质变化的"诱点".文中利用光学知识讨论了缺陷对电磁波调制作用的物理本质.     

基于Liao氏吸收边界条件的四阶FDTD算法

建立了在空间上用四阶差分的时域有限差分法的 Liao氏吸收边界,证明了四阶差分具有比二阶差分更小的数值色散.空间上用四阶差分的时域差分法将有助于人们对尺寸较大的物体如光纤等光波导的数值分析.     

多台阶圆形衍射微透镜聚焦性能的矢量分析

给出了基于旋转体时域有限差分法的严格的矢量分析模型,应用该模型分析了多个多台阶圆形衍射微透镜的设计实例.研究了设计参量和制作误差对其聚焦性能的影响.结果表明增加环带数,但保持其他设计参量例如焦距、入射波长不变时,焦点场强增大、焦斑变小、焦深变短;只增加台阶数时,聚光作用加强,但台阶数达到8～10后,聚焦效果趋向稳定,因此建议在实际加工中,台阶数选择8～10.用二元掩模板套刻制作多台阶时,容易产生制作误差.设计了在第三次套刻制成8个台阶过程中产生了对准误差和系统刻蚀误差的两类多台阶微透镜.分析结果表明对准误差对多台阶微透镜聚焦效果的影响较大,加工时要尽量避免,而系统刻蚀误差对多台阶微透镜聚焦效果的影响较小.     

自适应线性神经元方法同轴相对论返波管高频特性的数值分析

 提出一种数值分析周期慢波结构色散特性的模拟法：先采用时域有限差分法和离散傅里叶变换技术计算含周期慢波结构的谐振腔的谐振频率及谐振场分布，再基于周期慢波电路色散关系的周期性质，利用几个特殊色散点由数值组合技术获得周期慢波线的完整色散关系。数值计算了同轴波纹波导中TMon模式的色散关系。亦能用于分析计算任意复杂几何结构的周期慢波线的色散关系。     

Broadband dispersion characteristics of diffractive microlenses based on the finite-difference time-domain method

The broadband dispersion characteristics of diffractive microlenses are studied using the finite-difference time-domain (FDTD) method. The distributions of the diffracted electric fields obtained through a diffractive microlens are presented for illumination wavelengths ranging from 0.35 to 1.30 μm, along with the corresponding broadband dispersion curves. It is shown that both the principal focal length and the diffracted order of the principal focal point are dependent on the illumination wavelengths. The broadband dispersion characteristics of a diffractive microlens may be used to optimise light coupling for a broadband optical fibre source.     

衍射光学透镜色散特性的仿真研究

在白光照射下,衍射光学透镜的焦距不仅同材料色散和波长色散有关,而且还同孔径因子有关。基于折射率随波长变化的经验公式,利用自编的仿真计算程序包,得到了透镜焦距、材料色散、波长色散、孔径因子之间的关系曲线。所获得的理论分析和仿真计算结果为进一步设计消色差的纯衍射目视光学系统提供了理论依据,具有一定的指导意义。     

波长漂移对菲涅尔透镜影响的严格矢量分析

为了严格分析入射光波长相对相位型菲涅尔透镜的设计波长发生漂移时对其聚焦特性的影响,采用时域有限差分方法作为严格的矢量分析工具,得到了相位型菲涅尔透镜的光焦度与入射光波长以及衍射效率与入射光波长的关系曲线。仿真结果表明：与标量理论结果类似,菲涅尔透镜光焦度随入射光波的增加总体呈线性上升趋势,衍射效率随入射光波长漂移时设计波长下降,且衍射效率低于标量理论分析结果。     

10m大口径薄膜衍射主镜的色差校正技术研究

分析了薄膜衍射主镜的成像性能及色散特性,利用含有衍射面的反射式消色差光路校正了衍射主镜的强色散,使成像系统的工作波段达到40nm、视场达到0.02°,设计了10m口径、115.73m总长的短结构合成孔径薄膜衍射成像系统.结果表明,消色差光路将两边缘波长0.58μm与0.62μm之间的焦距差由5.34m减小到17.27μm.该研究提供了一种薄膜衍射主镜成像系统的设计方案,可为超大口径薄膜衍射成像系统的工程化研究提供参考.     

Tunable protein harmonic diffractive micro-optical elements

Herein, tunable protein harmonic diffractive microlenses (PHDMs) have been constructed by femtosecond laser direct writing from bovine serum albumin. With excellent three-dimensional topography, PHDMs show distinct harmonic diffractive features, such as similarly good imaging performance with smaller thickness than refractive lenses and well controlled minus chromatic dispersion compared with simple diffractive lenses (～5% focal length shift against ～21% of the protein Fresnel zone plate with the same radius under light with wavelength 450-659 nm). Owing to the nature of protein molecules as "building blocks," the focal length of the PHDM can be facilely tuned within seconds by changing the pH value (focal length tunability of up to ～20%).     

实验评估全息凹面光栅平场摄谱仪

阐述ＳＰＤ－Ｉ型全息凹面衍射光栅平场摄谱仪的基本工作原理和仪器结构，详细报导了该仪器的适用波长范围、平直谱面长度、倒数线色散率和光谱带宽等主要技术性能的光学测试方法和实验结果。测量结果表明在设计波长范围（４００至８００ｍｍ）内像差校正良好，获得的平直谱面可与光敏面长度为一英寸（２３．５ｃｍ）的多通道探测器相配；仪器的色散相当均匀（约１７ｎｍ／ｍｍ），在５７９．９６ｎｍ波长处测得的光谱带宽为１ｎｍ，能满足一般光学多通道分析仪的要求。     

Toward the subdiffraction focusing limit of optical superresolution

A superresolving three-zone plate is applied to a Fresnel diffractive lens. It is shown that for radial incident polarization this combination produces a focal spot approaching superresolution allowed subdiffractive limit of 0.36lambda/NA for focusing. For media responsive to longitudinal field component only, our phase engineering scheme results in a focal spot size of 0.368lambda/NA. When used with a solid immersion lens, the scheme can generate the smallest focal spot available for passive optics.     

双波长共焦衍射光学元件分析与设计

报道二维纯位相环带衍射光学透镜的研究。结果表明，在确定位置的像平面的光强分布呈现相当理想的光聚焦作用；同时以１．０６μｍ和０．６３２８μｍ两种波长为例，对双波长二维成像的环带衍射透镜进行分析计算，结果表明二种波长的光束都能聚焦于同一像平面。这种元件可方便地用于非可见激光中的对焦与光路调整。     

Sub wavelength multiple focal spot generation of high NA objective lens using diffractive optical element

In this article, based on the vector diffraction theory, the effect of specially designed phase modulating optical element by means of an incident tightly focused azimuthally polarized Bessel Gaussian beam in the focal region of high NA lens is investigated numerically. It is observed, that a specially designed diffractive optical modulation element (DOE) can generate multiple focal spot segment of transversely polarized in the focal region by controlling the angles of DOE. Such kind of sub wavelength transversely polarized focal spots segment may find wide applications in multiple optical traps and optical manipulation technology.     

紫外衍射微透镜阵列的设计与制备

为了提高紫外焦平面阵列的填充因子,可以通过微透镜阵列与紫外焦平面阵列的集成,以改善紫外焦平面阵列的探测性能。根据标量衍射理论设计了用于日盲型紫外焦平面阵列的128×128衍射微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为F/3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备了128×128衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为88%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列具有均匀的焦斑分布,与紫外焦平面阵列单片集成能较好地改善器件的整体性能。