具有准单级聚焦特性的梯形波带片（英）

为改进用于X射线聚焦的二值化Gabor波带片目前所存在的结构复杂、不利于加工制作的问题,在不改变梯形透过率函数的前提下,通过将传统的梯形孔基元变为平行四边形基元应用于波带片的设计之中,提出了一种聚焦效率更高的具有准单级聚焦特性的波带片。理论推导显示,该波带片除了像Fresnel波带片一样能够消除偶数级的焦点外,还可以消除3q级（q为整数）的焦点,1/m4（m为焦点级数）的效率衰减系数也使得高级衍射得到了很好的抑制。MATLAB数值模拟的结果证明,该波带片的特性不仅满足以上推论,还具有比Fresnel波带片和环带扇形基元阵列波带片更低的背景噪声,可以看作是一种准单级聚焦的新型波带片。此外,在同一波带内,这种基于平行四边形基元孔的波带片设计的透光区始终保持各处的径向宽度为该波带的一半,且扇区结构简单一致,能够降低不少加工难度,易于推广应用。     

准随机点阵二值化Gabor波带片聚焦特性的数值计算

 Fresnel波带片有多个焦点,作为单色器波长选择元件使用时会受到高级衍射的影响。而Gabor波带片只有一个焦点,有更好的聚焦特性,但制作难度较大,准随机点阵二值化Gabor波带片概念的提出则解决了这个问题。介绍了准随机点阵二值化Gabor波带片的设计,并利用优化的程序分别对Fresnel波带片和准随机点阵二值化Gabor波带片的聚焦特性进行了模拟计算,通过对计算结果进行分析比较,发现准随机点阵二值化Gabor波带片具有抑制高阶衍射的特性。     

自支撑二值化Beynon-Gabor波带片的制备及其单级聚焦特性

Gabor波带片是一种理想的单级聚焦光学元件,但制备困难.本文采用聚焦离子束直写技术成功制备出30环、20扇区的二值化Beynon-Gabor波带片,其有效面积半径为700μm,第一环半径90μm.利用各向异性腐蚀液对硅基底进行开孔,实现了Beynon-Gabor波带片二值化、自支撑、镂空的结构特征.在波长为355 nm的激光下测试其光学性能,结果表明所制备的Beynon-Gabor波带片主光轴上只存在1级衍射叠加后的焦点,不存在高级衍射焦点,具有优异的单级聚焦性能.     

多重焦点波带透镜的衍射效率和分辨率分析

本文首次提出了一种新型的具有多重焦点的波带透镜概念及其设计方法。这类多焦点带透镜不同于菲涅耳波带片，不仅其焦点的个数和位置可以任意规定，而且各焦点的衍射效率和相对光强也可作人为选择。文中给出了一个各焦点衍射效率近似均等的三焦点波带透镜和一个具有三个等光强焦点的波带透镜的设计及其设计数据，并给出各个焦点的衍射效率、分辨率和各焦平面的相对光强分布曲线。这类新颖的多焦点波带透镜可提供某些特定的光场分布，     

高斯光束经相位连续变化型波带片的衍射特性

 根据瑞利-索末菲标量衍射理论分析了相位连续变化型波带片对高斯光束的衍射特性。在高斯光束入射下,对相位连续变化型波带片光轴和焦平面上的太赫兹强度分布特性进行了模拟,分析了入射光束的束腰半径和束腰位置对衍射场的影响,并与平面波入射的情况进行了对比。数值结果显示,相位连续变化型波带片可以实现对高斯分布太赫兹波的聚焦。相位连续变化型波带片的衍射规律与薄透镜的聚焦规律相似。通过合理调整束腰与波带片之间的距离可以保证衍射效率在85%以上。与平面波相比,高斯光束入射下的焦点处中心场强较小,但衍射效率较高。     

菲涅尔波带片-球面结构透镜的成像分析

设计了一种新型的菲涅尔波带片 球面透镜。应用衍射光学方法,从理论上研究了这种透镜的变焦功能和分辨特性。数值结果表明,在衍射空间有两个焦点,改变波带数可以使两个焦点分开任意距离。当波带数足够大时,可以使透射空间只有一个向透镜方向迁移的焦点。与单一的透镜和单一的波带片相比,这种菲涅尔波带片 球面透镜的横向和纵向分辨率同时得到了提高。因此,这种新型的结构透镜可应用于三维成像。     

基于角谱法的振幅型光子筛的设计和分析

对光子筛的聚焦成像原理作了分析,并用平面波角谱方法对光子筛聚焦成像进行了数值模拟.模拟结果表明,光子筛聚焦具有提高分辨率和抑制高级衍射的优点.在理论分析和计算机模拟的基础上,设计并制作了Fresnel波带片、未平滑处理和平滑处理后的光子筛.用波长为532 nm激光光源对波带片和光子筛聚焦光斑进行检测.结果表明,光波通过光子筛聚焦后的光斑比波带片的光斑更细,成像对比度更高.     

螺旋型波带片聚焦特性研究

提出了一种计算螺旋型波带片聚焦特性的方法。从衍射积分理论出发对螺旋型波带片的聚集特性进行了理论计算,推导出了级数形式的解析解,获得了螺旋型波带片"空心"焦点的场强分布。利用螺旋型波带片的聚焦特性,对其成像进行了数值模拟和理论分析。理论分析表明螺旋型波带片的空间分辨率与其"空心"焦点的环宽有关。通过验证实验证明理论分析与实验测试一致,为螺旋型波带片成像理论和模拟计算提供了一种有效手段。     

紧聚焦条件下的轴向双焦点波带片EI北大核心CSCD

基于紧聚焦条件下的矢量衍射理论推出了一个解析解形式的环半径公式,利用此公式设计得到的二元相位波带片可以使入射光的紧聚焦区域呈现轴向双焦点分布。并且,公式中的两个焦点的轴向距离和环半径直接相关,可以设计一系列的具有不同轴向距离的二元相位波带片,用来调制高数值孔径物镜,使其产生轴向可调的双焦点。以径向偏振贝塞尔-高斯光束为例,数值模拟了在不同轴向偏移距离的二元相位波带片的调制下的紧聚焦场的空间强度分布。数值模拟结果表明,基于此类二元相位波带片可以成功地实现轴向距离可调的双焦点。此外,利用一些具有特殊轴向距离的二元相位波带片,还可产生"光泡"与"光针"等特殊的紧聚焦场分布。因此,此类二元相位波带片有望应用于微粒子的动态操控与捕获。     

紧聚焦条件下的轴向双焦点波带片

基于紧聚焦条件下的矢量衍射理论推出了一个解析解形式的环半径公式,利用此公式设计得到的二元相位波带片可以使入射光的紧聚焦区域呈现轴向双焦点分布。并且,公式中的两个焦点的轴向距离和环半径直接相关,可以设计一系列的具有不同轴向距离的二元相位波带片,用来调制高数值孔径物镜,使其产生轴向可调的双焦点。以径向偏振贝塞尔-高斯光束为例,数值模拟了在不同轴向偏移距离的二元相位波带片的调制下的紧聚焦场的空间强度分布。数值模拟结果表明,基于此类二元相位波带片可以成功地实现轴向距离可调的双焦点。此外,利用一些具有特殊轴向距离的二元相位波带片,还可产生"光泡"与"光针"等特殊的紧聚焦场分布。因此,此类二元相位波带片有望应用于微粒子的动态操控与捕获。     

单级衍射量子点阵光栅的聚焦离子束直写法制备及光学性能检测

采用聚焦离子束直写技术,成功制作了面积为200μm×200μm,线密度500 mm 1,圆孔直径800 nm,金吸收体厚度为500 nm的单级衍射量子点阵光栅.研究了该光栅在波长442 nm激光下不同传输距离的衍射特性以及相对衍射效率.实验结果表明,量子点阵光栅不存在高级衍射,只保留了±1级和0级衍射,具有良好的单级衍射特性.1级衍射与0级衍射间距随传输距离的增大而增大,实测值与理论计算值相符.     

螺旋型波带片成像特性研究

研究了螺旋型波带片的成像特性。螺旋型波带片是一种新型成像元件,能够实现光学希尔伯特变换,获取边缘增强图像。采用快速傅里叶变换算法对螺旋型波带片的成像进行了数值模拟,分析了其成像特性并实验进行验证。通常螺旋型波带片作为空间滤波器要求物距满足夫琅禾费(Fraunhofer)衍射条件,理论计算表明在某些菲涅耳(Fresnel)衍射区域内螺旋型波带片仍可获得良好的成像效果,因此螺旋型波带片的实际视场比根据夫琅禾费衍射条件限定的视场要大。实验结果与数值模拟的吻合很好。因此利用快速傅里叶变换算法对螺旋型波带片成像质量模拟可以有效评估成像质量,对螺旋波带片显微镜的设计有重要的指导意义。     

大公差宽容度矩形孔准周期阵列实现对高阶衍射的有效抑制

传统光栅的基础研究和应用研究进展一直备受关注。然而,高阶衍射污染使传统光栅获得的光谱纯度受到严重影响。为了抑制高阶衍射贡献,人们提出了许多单级或准单级光栅的设计方案,但它们对高阶衍射的抑制效果不可避免地受到加工精度的限制。提出了一种准周期矩形孔阵列光栅,通过优化矩形孔的概率密度分布函数,获得了比以往设计更大的加工误差宽容度。对这种光栅的衍射特性进行了分析研究。理论计算表明,即使孔径相对误差超过20%,光栅也可以完全抑制二阶、三阶和四阶衍射,五阶衍射效率与一阶衍射效率之比小于0.01%,大大降低了对加工精度的要求。     

相位切趾波带片的设计

本文叙述了菲涅耳波带片和相位波带片的基本理论。对相位波带片选用的材料和厚度与效率的关系进行了计算和分析。对选用切趾波带片能增大带宽、提高信噪比作了讨论。我们设计了用于高分辨率扫描软X 射线显微镜的聚焦微波带片,它是一个总环数为116、遮挡环数为30、空间分辨率为0.2μm、在23～45(?)波长范围内一级衍射效率达16～19%的Cu 材料相位切趾波带片。     

软X射线聚焦波带片相对衍射特性的实验研究

通过测量软X射线相位型和振幅型聚焦波带片的一级衍射强度,实验得到了自行研制的两种相位型软X射线聚焦波带片的相对衍射特性。测量实验装置简单,调节相对容易。选择合适的针孔大小可使得接收信号有足够的信噪比。对波带片聚酰亚胺衬底的厚度进行了归一化。分别将3个镍和锗波带片的一级衍射强度与金波带片进行了比较。在3.2nm工作波长,研制的镍、锗软X射线相位型波带片的平均一级衍射效率分别是软X射线振幅型金波带片一级衍射效率的1.60和1.26倍,与理论值1.77和1.34很接近。测试结果表明,我们制作的相位型波带片具有较高精度。     

A0模态Lamb波聚焦透镜的结构设计及实验研究

基于折射率的弯曲波透镜多在板结构上打孔或挖槽,这种设计破坏了原有的结构,降低了板的刚度和稳定性。鉴于此,通过在板表面镶嵌棱柱的方式设计了A0模态Lamb波的聚焦透镜。首先,详细讨论了棱柱的结构参数对Lamb波带隙的影响机理,获取了波速与结构尺寸的定量关系,并实现了透镜的结构设计;其次,有限元仿真了该聚焦透镜的工作性能,包括聚焦位置、焦点处能量分布、聚焦尺寸、工作带宽等;最后,通过实验验证了该透镜设计的正确性。研究结果表明,设计的透镜能够使弯曲波聚焦在预先设定位置,且在不改变结构参数的情况下具有一定的工作频率带宽。该透镜设计方法具有聚焦性能优越、刚度强、易于加工等优点,为声聚焦透镜在无损检测、能量收集等领域的实际应用提供了参考。     

Fresnel波带板编码成像技术

 介绍了Fresnel波带板编码成像原理,并设计出高空间分辨率的Fresnel波带板编码相机,用双孔可见光源对编码相机的成像进行了实验研究,表明该编码相机可以真实地还原源区的空间大小和形状。     

一种聚合物分散液晶菲涅尔波带片

利用波长为800nm,脉宽130fs的飞秒激光在镀铝膜的玻璃基片上刻蚀出波带环图案,然后用溶致相分离法将其制备成聚合物分散液晶菲涅尔波带片.用波长为632nm的He-Ne激光对聚合物分散液晶菲涅尔波带片进行测试,结果表明:随着电压的增加该样品具有良好的光电可控性,可以实现对焦点光强的调控.在沿光轴方向上,测试到的主焦点位置与理论计算值相差小于5%,且聚合物分散液晶菲涅尔波带片在160V电压时衍射效率为10.4%,接近理论衍射效率12.1%,表明了该设计的可行性.     

梯形介质膜光栅衍射特性分析

基于严格耦合波理论建立了梯形介质膜光栅的衍射机理模型,利用该模型讨论了底角为70°的梯形介质膜光栅-1级的衍射行为.通过对梯形介质膜光栅的占空比、槽深和剩余厚度的优化,设计了应用于1053 nm和51.2°角度入射的梯形介质膜光栅.对于顶层为HfO2的介质膜光栅,当槽深为200 nm,剩余厚度为100 nm,占空比为0.35时.其衍射效率优于99.5%,而对于顶层为SiO2的梯形光栅,为获得99.5%的衍射效率.其槽深为800 nm,剩余厚度为320 nm.而且,获得同样的衍射效率,顶层为HfO2的梯形光栅具有更宽的光谱特性.数值计算表明,严格耦合波理论模型对梯形介质膜光栅衍射效率的计算具有很好的收敛性和稳定性.     

准相位型光子筛设计

提出了一种准相位型光子筛。该准相位型光子筛通过改变暗环上小孔直径与带宽的比值,对焦点处的相位分布进行调制,使通过亮环和暗环上小孔的光波在焦点处发生相长干涉,生成聚焦光斑。该准相位型光子筛无需对基底进行特殊处理,即可完成相位型光子筛的制作,降低了加工难度。和普通振幅型光子筛相比,在相同最小加工尺寸的条件下,准相位型光子筛具有较大的数值孔径,可降低聚焦光斑尺寸。并且,和多区光子筛相比,在同样的最小加工尺寸及数值孔径的条件下,准相位型光子筛光斑尺寸及质量均优于对方。为大数值孔径光子筛设计提供了一种新的设计方法。