薄膜沉积法制作菲涅耳透镜

衍射光学元件在国防、生产及科研等领域起着为越重要的作用。衍射光学元件的制作技术主要包括激光或电子束直写、反应离子刻蚀、离子束铣及薄膜沉积。薄膜沉积法具有精确控制台阶高度及台阶表面较光滑的优点。使用薄膜沉积法制作１６阶菲涅耳透镜,用它代替常规的光学透镜可实现系统的轻量化、小型化、增加系统设计的自由度,屯菲涅耳透镜的衍射效率并分析产生误差的原因。     

双层衍射光学元件微结构高度的优化设计

微结构高度是衍射光学元件的重要加工参数之一。基于双层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率和微结构高度的关系，分析并给出了微结构高度的优化设计方法。在满足光学系统性能要求的情况下，通过适当地降低带宽积分平均衍射效率来减小微结构的高度。分别针对可见光、长波红外、红外双波段三种波段工作的双层衍射光学元件进行仿真分析。分析结果显示，工作在长波红外波段的双层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率减小1.9%，微结构高度能降低55%以上。该结论对于双层衍射光学元件的加工及应用有重要的意义。     

白光的衍射分析与仿真

衍射是光学中极为常见的现象,依光源到狭缝的距离与缝屏距可分为夫琅禾费衍射与菲涅尔衍射。许多文献都有研究过相关问题,但较多是夫琅禾费衍射。文章从波动光学的菲涅尔原理出发,利用菲涅尔-基尔霍夫衍射积分定理,分别讨论了夫琅禾费衍射与菲涅尔衍射下单缝、矩孔与圆孔的衍射情况,并利用MATLAB对其进行了衍射图样的仿真。     

温度与微结构高度误差对衍射光学元件衍射效率的影响研究

基于衍射光学元件的衍射效率与微结构高度误差的关系,提出了环境温度、微结构高度误差与衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学分析模型。研究了环境温度变化对带宽积分平均衍射效率的影响,分析了工作在一定温度范围内时带宽积分平均衍射效率与相对微结构高度误差的关系。对于工作在8~12μm长波红外波段的衍射光学元件,偏离设计波长越远,其衍射效率受温度的影响越大。温度的变化会引起100%衍射效率对应的峰值相对微结构高度误差发生改变。当衍射光学元件的相对微结构高度误差在±15%范围内时,衍射效率在-40℃~80℃的整个温度范围内高于91.89%,带宽积分平均衍射效率在整个温度范围内高于88.58%。     

高斯光束变换成方形均匀焦斑的衍射光学元件的研究

采用二维加权串行迭代算法(WSI)设计了8台阶的衍射光学元件(DOE)进行激光光束整形,将圆形高斯激光束变换为10μm×10μm的方形均匀焦斑,同时满足了二维激光光束形状的改变及振幅分布均匀化的功能;应用到高密度全息存储中,实现了入射到记录材料上焦斑强度的均匀分布。模拟计算结果表明,转换到均匀区的能量效率达到912%,平顶区的不均匀度为46%,误差小于0023%,基本上达到了设计的要求。同时分析了衍射光学元件对入射高斯光束的束腰半径及傅里叶变换透镜焦距的宽容度,还制作出了8台阶量化相位衍射光学元件的三套掩膜板。     

离子束刻蚀法制作菲涅耳透镜

由于衍射光学元件独特色的色散特性及体积小、重量轻可进行复制等优点,它在国防、生产及科研等领域的作用越来越重要,应用于光学成像系统,不仅能改善系统成像质量,而且能实现系统的轻量化、小型化,增加系统设计的自由度。使用离子束刻蚀法制作的16阶菲涅耳透镜应用于折衍混合CCD相机;测量菲涅耳透镜的衍射效率并分析了影响衍射效率的因素。     

利用多层表面微结构提高DOE宽波段衍射效率

针对单层衍射光学元件的不足,介绍了一种新型的多层衍射光学元件,通过层叠多个具有不同材料色散特性与相位高度的单层表面微结构,增加元件相位分布函数中的可变因子,实现波段内各波长光波的等效相位调制等于或接近2?仔的整数倍,双层衍射光学元件在0.4~0.8 μm可见光波段的理论衍射效率可以达到96%以上。利用双层衍射光学元件替代萤石透镜校正混合光学系统的二级光谱,设计并制作了一套长焦距物镜,并利用系统调制传递函数评价了多层衍射光学元件衍射效率,测试结果表明衍射效率在整个设计波段内以较高的数值平均分布。     

衍射光学元件斜入射衍射效率的测量

针对衍射光学元件衍射效率测量的双光路实验装置,当次级衍射光通过孔径光阑由探测器接收时,为保证测量精度提出了测量衍射效率的修正公式。针对所研制的含有衍射光学元件的折衍射混合成像光学系统,选取可见光波段中的3个激光波长,当衍射面上入射角度为12时对该衍射光学元件进行了衍射效率的测量,并对测量结果进行了模拟和分析。由于存在一定的加工误差和斜入射时遮挡效应的影响,实际测得的衍射光学元件的衍射效率比理论计算结果低。根据测量结果拟合曲线,在473~632.8 nm波段范围内的带宽积分平均衍射效率对比理论值存在12.84%的偏差。     

衍射光学技术发展历程及应用

衍射光学元件已广泛应用于光学传感、光通信、计算成像、激光光束整形、生物医学、光学数据存储等领域。首先，总结归纳了基于标量衍射理论衍射光学元件在各个阶段的发展脉络，衍射光学元件的发展可分为菲涅耳波带片、全息图及相息图、二元光学元件及衍射光学元件四个阶段，针对各阶段衍射元件分别分析其设计原理、结构特点、加工难度、衍射效率及在现实中应用可能性。其次，对基于矢量衍射理论衍射光学元件进行概述。最后，对当前衍射光学元件在传统和新型成像系统及非成像系统中的应用进行总结，整理出当前衍射光学元件发展中存在问题并根据对应问题给出未来发展趋势的预测，能够对今后衍射光学元件的研究有一定指导意义。     

利用分数傅里叶变换设计衍射光学元件

本文讨论了分数傅里叶变换与菲涅耳衍射的关系,提出球面衍射过程就是一种具有尺度因子的分数傅里叶变换,并应用分数傅里叶变换进行衍射光学元件的设计。     

偶数束亚波长Dammann光栅结构的矢量衍射优化设计

传统的基于标量衍射理论方法设计的Dammann光栅衍射效率较低。基于严格耦合波理论和遗传算法,介绍了亚波长结构偶数分束数Dammann光栅的设计方法。利用优化程序设计了多个光栅结构并对设计结果进行了分析,讨论了关键参数的选取及设计参数和光波偏振态的变化对分束效率和均匀性的影响。仿真结果表明所设计的偶数束Dammann光栅分束均匀性很好并且分束总效率均达到93%以上,而零级衍射效率均降到了0.64%以下,达到了较好的去零级衍射的效果。     

衍射光学元件车削误差控制技术

衍射光学元件在光学系统中的应用越来越广泛,对衍射结构的加工质量提出了更高的要求。单点金刚石车削可直接加工出高精度衍射微结构表面,但衍射结构的位置误差和表面质量对其光学性能有较大影响。为了提高衍射光学元件的性能,需要精确控制其车削误差。基于此,分析了影响衍射元件加工质量的因素,建立了揭示位置误差、衍射面形状和刀具半径之间的关系的数学模型,揭示了衍射带位置精度影响规律。通过补偿加工提升基底表面质量来提高衍射曲面面形精度。结合仿真模型与粗糙度影响参数,指导车削刀具半径的选取。最后,基于仿真结果,选择半径为0.02 mm的半圆弧刀具加工,最终加工的衍射元件面形误差为292 nm,衍射环带位置误差最大为55 nm,高度误差最大为16 nm,粗糙度为5.6 nm。实验结果表明,该预测模型可以指导衍射光学元件高精度表面形貌的获取,有利于提高光学系统的成像质量,为高精度衍射光学元件的批量生产提供了技术支持,具有广泛的工程应用价值。     

基于衍射/反射光束整形系统的高密度泵浦源

利用二元光学元件微型化和对波面进行任意整形的特点,将二元光学衍射器件用于高功率激光二极管阵列光束的快、慢轴准直,并结合空心导管设计一种衍射/反射混合型光束整形系统,用于实现高密度、高均匀性LD泵浦源.应用时域有限差分法(FDTD)的严格矢量分析表明:所设计的二元光学准直器性能优良,准直后光束发散角在误差范围内接近衍射极限,慢轴方向衍射效率为82.21%,快轴方向为75.76%.模拟设计的结果表明:采用这种衍射/反射光束整形技术的高密度泵浦源能获得高功率密度和高均匀性的抽运光束,在空心导管出射端面附近光强起伏RMS<1%,并且在光束的准直性能和系统紧凑性方面优于传统整形方法.     

基于虚拟现实的头盔显示目镜系统设计

基于Erfle透镜结构,设计了可用于头盔显示系统的传统折射式目镜。在此基础上添加了衍射面,设计出了折衍射目镜。这两种系统的基本结构参数相同,出瞳距为27 mm,出瞳直径为8 mm。与传统折射式结构相比,折衍射目镜的总长度减小了11%,重量减轻了约23%,畸变减小了59.45%。考虑到衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率对系统调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)的影响,在40 lp/mm空间频率处,折衍射头盔目镜轴上视场的MTF值和最小MTF值分别高于0.68和0.28,满足设计要求。该系统可以应用于虚拟现实的头盔显示系统。     

一种红外双波段衍射望远镜的光学设计

深入研究了双层谐衍射光学元件,基于衍射效率方程对双层衍射元件的衍射效率进行优化.光学系统在中波红外和长波红外波段的衍射效率均超过了99%,极大地提高了图像的对比度和像质.设计了一款新型的红外双波段衍射望远镜,取得了接近衍射极限的成像质量,易于加工.     

基于谐衍射的共轴双波段红外光学系统设计

随着精确制导技术的快速发展,对两个波段的辐射同时进行探测已显得非常重要,对应的光学系统及其设计需求空前增长。文中根据谐衍射透镜的消色差、消热差特性,在各个较低衍射级次上的共焦以及极高衍射效率的特性,在现有金刚石切削加工能力的条件下应用CODEV 光学设计软件设计了适用于-45~+71℃的共轴双波段红外光学系统,该系统在全温度范围内无需调焦其调制传递函数全部接近衍射极限,光学系统无渐晕,并且达到100%冷光阑效率。该红外双波段光学系统结构紧凑、片数少、透射比高,对于提高导引头的探测精度、识别能力、打击精度有质的飞跃。     

用于智能显示的相位型计算全息图的设计

介绍了一种基于相息图原理的用于智能显示的纯相位型计算全息图的设计方法,并在此基础上,以雪花图形和分划板图形为例,完成了全息元件实验样件的制作及全息再现实验,这种实时再现的图像可以用于智能显示。在已知记录介质折射率的情况下,通过控制纯相位型计算全息图记录介质表面微结构的宽度和高度来调制光波,得到所需图像。采用逐步迭代的傅里叶变换算法来获取纯相位型计算全息图的相位结构,为了降低相位型计算全息图的制作难度,提出量化数学模型,并对所设计的相位结构进行量化处理,给出了纯相位型计算全息图的4台阶浮雕型相位结构。全息元件的尺寸设定为6mm×6mm,工作波长为650nm,衍射结构的最小特征尺寸为8μm。理论计算和模拟再现像的结果表明,在未考虑加工误差的条件下,所提供的这种用于智能显示的纯相位型计算全息图的设计方法是可行的。此方法可推广用于其它任意特定图案的纯相位型计算全息图的设计,也可用于设计具有光束整形功能的衍射光学元件,如离轴照明的光束的整形匀光器件等。用于智能显示时,用平行光照射制作的实验样件,只得到的单一的衍射图像,不存在其他衍射级次的图像,在考虑采用台阶量化结构和存在加工误差的情况下,衍射效率仍然很高。若改变设计的全息图相位的正负,并用平行光以特定的角度照射制作此相位型计算全息图,可用于全息瞄准。     

入射光波波长对菲涅耳透镜衍射效率的影响

使用离子束刻蚀法成功制作高衍射效率 16阶菲涅耳透镜。菲涅耳透镜的衍射效率是评价菲涅耳透镜质量的一个重要指标。对于宽带光学系统 ,除设计、制作误差外 ,入射光波波长对菲涅耳透镜的衍射效率也有影响。针对宽带折衍混合光学系统 ,分析不同入射光波波长对菲涅耳透镜衍射效率的影响。使用四种不同光源 ,对菲涅耳透镜的衍射效率进行测试。指出在短波方向 ,衍射效率下降较多 ;在长波方向 ,衍射效率下降较少     

三层衍射光学元件斜入射衍射效率特性研究

正入射通常不能反映成像衍射光学元件的实际工作状态,斜入射才是其普遍工作状态。建立了斜入射时三层衍射光学元件的衍射效率与入射角度关系的表达式。针对入射方向、两侧基底材料以及中间介质材料这三个影响因素,分析了三层衍射光学元件的衍射效率随入射角度的变化关系。结果表明,光线从正谐衍射元件端入射时,对应的衍射效率随入射角度增大下降得比较缓慢。组成三层衍射光学元件两侧谐衍射元件基底材料的阿贝数差值越大,衍射效率随入射角度增大下降得越缓慢。中间介质材料的选取由三层衍射光学元件工作时的入射角度范围决定。该分析方法和结论适用于可见光、红外等光学系统中的三层衍射光学元件。