基于MOEMS的微型可编程相位光栅原理性

本文叙述了一种基于MOEMS技术的微型可编程相位光栅的原理性实验结果,并与数值仿真结果进行了比较,验证了这种光栅技术理论的正确性和技术的可行性、优越性.     

电磁式扫描光栅微镜设计

扫描光栅微镜是微型光谱仪的新一代核心分光器件。基于固定光栅分光的微型光谱仪由于采用阵列探测器在近红外波段价格昂贵,严重制约了近红外光谱分析技术的推广应用。本文提出了一种电磁式扫描光栅微镜,该器件采用微纳加工工艺,集光栅、驱动结构、角传感器于一体,可实现单管探测器替代阵列探测器。建立了电磁式扫描光栅微镜的理论模型,分析了梁尺寸、镜面尺寸等主要结构参数对器件性能指标的影响,获得器件的设计参数。使用微纳加工方法制作电磁式扫描光栅微镜芯片,并测试了性能指标。实验与理论结果表明:当器件扫描角度为±7°,光谱达800～2 500nm,闪耀波长附近的衍射效率≥70%,角传感器的控制精度≤0.05°,为应用于微型近红外光谱仪提供了一种有效方案。     

基于光纤光栅的高速气流总温测量方法

针对航空发动机高速气流总温测量的需求,结合光纤光栅尺寸小、无需回路的结构特点,本文提出一种采用光纤光栅作为感温元的滞止罩式微型总温探针设计与测量方法。通过数值模拟方法对光纤光栅总温探针进行了气动结构设计,分析了探针结构参数对总温测量结果的影响;在此基础上,制作了光纤光栅总温探针,搭建了总温测量数据处理系统,并通过亚音速风洞试验测试了光纤光栅总温探针的工作性能。结果表明,在马赫数为0.3～0.8亚音速气流冲击下,光纤光栅总温探针具有良好的滞止效果和稳定性,马赫数大于0.5时其复温系数达到0.8以上,在马赫数为0.8时达0.99。所制作的微型光纤光栅总温探针直径低至0.8 mm,结构尺寸远低于热电偶探针,在满足总温精准测量的同时,可有效降低对流场的干扰。     

法诺光栅的共振特性研究

针对亚波长光栅的共振特性,设计了一种基于法诺共振的亚波长光栅并研究了其共振特性。利用光学模拟软件FDTD Solutions对该光栅结构进行数值模拟,在可见光波段,对影响光栅性能的周期、折射率、占空比等光栅参数进行了研究,从而得到了一种共振强度高、谱线精细、共振峰位置可控的法诺共振谱线。该研究成果可用来研制1 nm精度的光谱滤波器。     

看谱镜在锌基合金成分分析中的应用研究

对锌合金可见光谱线进行计算机模拟,研究了基体元素锌和各成分元素的可见光谱特征.使用光栅看谱镜和棱镜看谱镜对锌合金可见光谱进行分析研究,并摄制了彩色图谱.讨论了利用锌元素及成分元素特征谱线进行基体鉴别和成分元素分析的方法.实验证明,该方法可用于锌合金基体鉴别及各成分元素的定性和半定量分析.     

倾角对倾斜光纤光栅光谱特性的影响

基于倾斜光纤光栅模式耦合理论,研究了倾斜角度对光纤光栅光谱特性的影响,并应用OptiGrating软件进行数值模拟仿真。通过对不同倾斜角度得到的光纤光栅反射谱及透射谱的研究发现,随光栅倾角的增大,布拉格波长的中心波长偏移,同时反射率下降,而包层模式耦合增强,透射损耗变大,群时延减小。仿真结果对光纤光栅的设计和优化有一定的指导意义。     

基于FPGA的光栅位移检测系统设计

本文介绍了用可编程器件FPGA对光栅传感器采集来的数字信号进行处理和控制的方法.利用光栅传感器把位移转换成电压脉冲的特点,同时利用在线可编程阵列FPGA高集成度、高性能、高效率和低成本的优点设计了一种用于机床位移测量与控制的数字系统,并阐述了该系统位移检测原理、总体方案实现和通信接口设计.可应用于光栅位移的数据采集、处理、控制及与上位机的通信系统中.     

看谱镜在镁合金成分分析中的应用

在计算机模拟基础上使用光栅看谱镜和棱镜看谱镜对镁合金基体及成分元素的可见光谱进行了分析，摄制了彩色图谱，研究了镁合金看谱分析方法。结果可用于镁合金基体鉴别及各成分元素的定性和半定量分析。     

紫外平面刻划光栅杂散光数值分析及测量方法

杂散光是光栅的重要技术指标,它直接影响光栅的信噪比,尤其紫外波段的杂散光对光谱分析更为不利。为了考察平面刻划光栅在光谱仪器中使用时产生的杂散光,采用基于传统Fresnel-Kirchhoff衍射方程导出的杂散光相对强度表达式,数值分析了杂散光产生的原因。数值模拟结果表明,紫外平面刻划光栅刻槽周期随机误差以及刻槽深度随机误差是杂散光的主要来源,而光栅杂散光对光栅表面小尺度随机粗糙度并不敏感。另外,提出了平面光栅光谱仪出射狭缝相对宽度的概念,并数值分析了仪器出射狭缝高度及出射狭缝相对宽度与杂散光强度的关系。此理论分析方法分别为如何在光栅制作工艺中从根源上降低光栅杂散光以及在光栅应用过程中从使用方法上降低光栅杂散光提供了理论参考依据。最后,为了与采用滤光片法测得的光栅杂散光实验值进行比较,给出了理论求解杂散光总强度的求和公式,并对四个不同波长的杂散光进行了多次测量,使理论值和实验值的相对误差控制在13%左右。     

紫外平面刻划光栅杂散光数值分析及测试

杂散光是光栅的重要技术指标,它直接影响光栅的信噪比,紫外波段的杂散光对光谱分析尤为不利.为了考察平面刻划光栅用于光谱仪器时产生的杂散光,采用标量衍射理论数值分析了杂散光产生的原因.数值模拟结果表明,紫外平面刻划光栅刻槽周期随机误差以及刻槽深度随机误差是杂散光的主要来源,而光栅杂散光对光栅表面小尺度随机粗糙度并不敏感.提出了平面光栅光谱仪出射狭缝相对宽度的概念,数值分析了仪器出射狭缝高度及出射狭缝相对宽度与杂散光强度的关系,从而分别为在光栅制作工艺中从根源上降低光栅杂散光以及在光栅应用过程中从使用方法上降低光栅杂散光提供了理论依据.最后,为了与采用滤光片法测得的光栅杂散光实验值进行比较,给出了理论求解杂散光总强度的求和公式,并对4个不同波长的杂散光进行了多次测量.结果表明,当刻槽周期随机误差、刻槽深度随机误差和表面随机粗糙度分别取0.8 nm、 0.5 nm和1.2 nm时,理论值和实验值的相对误差可控制在13%左右.     

反射面平动式光栅光调制器的实现及机电特性分析

提出了一种新型的光栅光调制器(GLM),它由可动平板阵列和固定光栅构成,通过可动平板的垂直运动,达到调制光束的目的。为验证该结构实现的可能性,得到器件的机电特性,根据微梁的力学理论进行了电力学理论分析,通过Coventor仿真软件进行了有限元仿真。分析表明,该器件所需驱动电压为16V,无明显的迟滞现象,可动平板的有效衍射面积较大,易于实现面阵结构,提高了光学衍射效率。     

An evaluation of a modulated laser encoder

This paper introduces a new method of interpolation for sub-nanometer-resolution linear encoders. This method, called SPPE (scanning position probe encoder), uses high-order harmonics information obtained by a sinusoidal scanning pickup located on a periodic grating surface. The proposed encoder uses a current-modulated laser diode with diffractive grating optics. Since the electrical current changes the laser-diode wavelength, the interference light intensity is modulated as a sinusoidal scanning pickup on the scale grating. Phase-detection circuits can decode the position information in the pickup signal by using phase-locked loop techniques. The decoder achieves an interpolation rate of over 1/40,000 with interpolation errors of less than ±1 nm. A new interpolation-error measuring system was developed for the encoder. Finally, the evaluation results reveal that the presented encoder shows both high resolution and strong robustness.     

台阶型微闪耀光栅面阵实现二维全混洗变换

基于台阶型微闪耀光栅衍射效率高、特征尺度小、集成度高和加工容易等特点,提出了利用台阶型微闪耀光栅面阵实现二维全混洗变换的方法。讨论了一维和二维全混洗的变换规则和数学定义;通过对刻蚀过程中各单元光栅的刻槽取向和周期的控制,使信号光满足所需要方向的闪耀输出,制作出一维和二维的微闪耀光栅面阵,在自由空间分别实现信号光的一维和二维全混洗变换。最后,比较与讨论了微闪耀光栅实现全混洗变换的方法。理论分析和实验结果均表明:该方法与传统的通过信号光矩阵的分割成像、放大、重组、叠加操作不同,它利用单一器件的衍射特性来控制信号光的取向和光强的分布,从而实现二维全混洗变换。因此,该方法具有光能量利用率高、控制简便、易操作和易集成的特点,充分体现了二维全混洗变换在光通信和光信息处理中具有的高空间带宽积和多自由度的特点。     

离子束刻蚀计量光栅的衍射现象

介绍了计量光栅经离子束刻蚀后的衍射现象,实测了刻蚀表面的形貌特征,还对这种衍射现象进行了讨论。     

Multibeam laser writing of diffractive optical elements

A new version of the method of direct multibeam laser writing of diffractive optical elements (DOE) is proposed and investigated. A writing area in the form of an array of focused light spots is formed by splitting the writing laser beam into multiple beams by using a Dammann grating and focusing of these beams in the plane of a moving carrier with a photosensitive material. Adjustment of the radial pitch of writing and correction of the uniformity of the beam intensity is carried out by tilting the Dammann grating and displacing it in the dispersion direction. In writing DOEs, the radial pitch of discrete displacement of the writing area with respect to the plane of the DOE is set equal to or multiple of the average radial distance between the radial projections of the centers of the focused light spots. This version provides improved performance and accuracy due to high-quality paralleling of the writing beam and the averaging effect in superimposed writing.     

偏振对于光纤光栅传感器工作性能影响的研究

基于布拉格衍射理论的光纤光栅传感器应用于温度、浓度、应力等参量高精度测量,通常要求高精度的波长分辨率。当入射光波前有偏振态存在时,将会对光栅系统的波前测量结果产生误差。在保偏光纤中,偏振对于光栅的影响尤为严重。当光栅周期与光栅矢量排布方向发生改变时,它与带有偏振信息波前作用后的衍射波前也会发生变化,而且在不同的衍射级上影响会有所差异,在精密波前检测方法中往往忽略了这种差异,从而对于光学波前的高精度检测存在误差。本文基于有限时域差分算法,计算在不同偏振态光束入射以及不同光栅周期与光栅矢量排布时偏振对于检测精度的影响。最终得到在不同偏振态光束入射时,光栅采用不同期与矢量排布,对于衍射波前的误差反应。     

聚合物分散液晶（PDLC）光开关研究

聚合物分散液晶材料具有电控开关特性 ,利用材料的这一特性制成聚合物分散液晶光栅则具有衍射特性的电场可调性。理论和实验表明 ,采用一定的材料配方和工艺 ,可以获得理想的聚合物分散液晶全息光栅 ,若干个不同频率的光栅叠加可以制成实现多点光切换的光开关     

C-T型分光系统避免零级回反的设计计算方法

一些C-T型单色器存在光栅零级回反现象,这会引起严重的杂散光问题。从球面准直反射镜及光栅系统的基本几何关系入手,运用几何光学原理入手,分析了C-T型单色器光栅准直镜系统产生零级回反的充分必要条件,即零级光柱落在第一准直镜反射面,同时光栅一部分位置落入第一准直球面镜的边缘法线以内。从而提出了在初始设计计算阶段避免光栅准直镜系统产生回反的理论措施及设计计算方法。即在设计阶段适当增加入射角,以及适当增加光栅与第一准直镜的相对距离。从而使得光栅位置全部落在第一准直镜边缘法线以外,因此能够确保系统无零级回反产生。     

Development of a simple system for the simultaneous measurement of pitch, yaw and roll angular errors of a linear stage

A simple measurement system has been developed and implemented for the simultaneous measurement of pitch, yaw and roll of the moving axes of a linear stage. This developed system is based on the principle of the diffractive theorem and optical triangulation. It is composed of a laser source, two quadrant detectors and a diffracting grating. The diffraction grating mounted on the moving axes of a stage reflects an incident laser beam into several diffractive rays and two quadrant detectors are set up for detecting the position of ±1st-order diffraction rays. When the diffraction grating moves, the locations where the diffractive beams are generated change and also the positions of the spots on two quadrant detectors. According to the relationship between the three angular motions of a moving stage and the output coordinates of two quadrant detectors, an inverse algorithm is used to solve these pitch, yaw and roll angular errors through a kinematic analysis .     

全息波导耦出光栅出瞳亮度均匀性的改善

目前在AR领域，存在着全息波导显示系统的耦出光栅出瞳亮度不均匀的问题，设计并制作了一种衍射效率渐变的全息光栅以进一步提高显示光路中耦出光栅的出瞳亮度均匀性。提出移动遮挡板方案，以实现分区域地改变全息干版的曝光时间，使得到的全息光栅的衍射效率具有渐变特性，并对实验结果进行研究和分析。结果表明，系统中耦出光栅的出瞳亮度均匀性由28.57%提高到57.14%。因此采用的全息光学元件的拍摄光路和曝光方法，可以有效改善全息波导耦出光栅出瞳亮度均匀性。