红外双波段双层谐衍射光学系统设计

将谐衍射透镜应用在传统红外单波段佩茨瓦尔(Petzval)物镜上,设计得到工作波段处于3.4~4.2μm和8~11μm的红外双波段单层谐衍射光学系统。但单层谐衍射元件的衍射效率只在设计波长处衍射效率最高,随着波长相对设计中心波长向两侧偏离,主衍射级次的衍射效率逐渐下降。为提高含单层谐衍射元件光学系统的衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法。设计出佩茨瓦尔型红外双波段双层谐衍射光学系统,其在3.4~4.2μm和8~11μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上,相比含有单层谐衍射面的光学系统衍射效率有了很大提升,提高了像面衬比度,完善了系统成像质量。     

衍射光学元件衍射效率的测量

根据衍射光学元件衍射效率的测量原理,建立衍射光学元件衍射效率测量的双光路装置,简要介绍了双光路测量的优点。针对衍射光学元件衍射效率的测量装置,讨论了影响衍射效率测量精度的因素,合理地选择测量装置中的针孔光阑,即可以让主衍射级次的光全部通过被探测器接收,又可以滤掉次级衍射光,保证测量结果的准确度。针对所设计研制的一个折衍射混合成像光学系统,测量了可见光波段3个激光波长的衍射效率,并对测量结果进行了模拟和分析。在473～632.8nm波段范围内任意一个波长处,衍射效率的测量结果同理论值的偏差均小于5.0%。实验证明,双光路测量装置可以用于测量衍射光学元件的衍射效率。     

多层衍射光学元件成像特性的研究

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656 μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.     

圆孔“衍射波”的相位特性

在标量衍射理论的基础上,导出了圆孔衍射的“边界衍射波”的级数表达式,提出圆孔衍射产生的“衍射波”概念,对“边界波”和“衍射波”的相位特性作了讨论和比较.     

多层衍射光学元件成像特性的研究

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656 μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.     

微小孔近场衍射的能量传输

用标量衍射理论研究了圆孔近场衍射中的能量传输,计算了透系数及轴线上衍射场的能流密度,在微小孔衍射的情况下,讨论了矢量衍射理论对能量传输问题标量处理的修正。     

双层衍射元件加工误差对带宽积分平均衍射效率的影响

双层衍射光学元件可以在宽波段范围内获得高的衍射效率。加工误差会导致带宽积分平均衍射效率的下降,进而影响折衍射混合成像光学系统的传递函数。基于位相延迟和带宽积分平均衍射效率的表达式,建立了双层衍射光学元件加工误差与带宽积分平均衍射效率的数学关系。分析了应用于8~12 mm长波红外光学系统中的两种加工误差对双层衍射光学元件衍射效率的影响。采用带宽积分平均衍射效率,可以直接评价宽波段光学系统的成像质量。通过带宽积分平均衍射效率和双层衍射光学元件加工误差的关系,可以分析含有双层衍射元件混合光学系统的调制传递函数。     

大角度斜入射情况下的猫眼效应激光反射特性

基于角谱衍射理论,采用2维离散傅里叶变换和将双衍射孔径进行投影合并的方法,推导了斜入射情况下猫眼效应反射光的衍射传输过程,通过数值计算分析了入射角和衍射距离对衍射光场分布的影响规律,并实验验证了入射角的影响规律。结果表明,这种方法能够准确描述大角度入射时的反射光衍射光场分布,入射角对其衍射光场分布模式的影响相当于增大了衍射距离。依据入射角与衍射光场分布模式之间的对应关系,可对猫眼目标进行参数识别研究。     

多层衍射光学元件斜入射衍射效率的测量

为了验证多层衍射光学元件的衍射效率随入射角度的理论变化关系,设计并制作了一个含有多层衍射光学元件(MLDOEs)的光学系统。当次级衍射光通过孔径光阑由探测器接收时,为保证衍射效率的测量精度,提出了一级衍射能量的修正方法。利用搭建的双光路装置,在0°~30.6°范围内对该多层衍射光学元件进行了衍射效率的测量。针对设计波长532nm,选取7个入射角度测量衍射效率,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,在不同入射角度状态下实际测量得到的衍射效率比理论分析的结果低,但是实测与理论分析结果均表明,多层衍射光学元件的衍射效率随入射角的增大而下降。     

衍射光栅的第二类角色散及其特性分析

在由矢量衍射理论得到的锥面衍射情形下的广义光栅方程基础上，给出了对应于衍射极角的衍射光栅第一类角色散公式和对应于衍射方位角的衍射光栅第二类角色散公式，并通过理论和数值分析导出了第二类角色散发生突变的条件及相应的数学表达式. 关键词： 衍射光栅 锥面衍射 第一类角色散 第二类角色散     

菲涅耳衍射与夫琅和费衍射的连续转化

介绍三种较好的观察两种衍射相互转化的光路，描述两种衍射连续转化的现象．根据计算绘出了单缝的两种衍射的光强分布图，实验记录了单缝的两种衍射的光强分布图，实验结果说明了两种衍射的转化是连续的．在夫琅和费衍射向菲涅耳衍射转化时衍射花样的变化是一个由中心向两边逐渐扩散的过程．     

一种近似矢量衍射模型在衍射微光学元件分析中的应用

标量衍射理论形式简洁，有很高实用性，但是在衍射微光学元件分析中显得模型粗糙，准确度下降。严格矢量衍射理论由于计算复杂，非常耗费时间和资源，因此也不是一种很有效的设计工具。 我们在本文中运用了一种简单的近似矢量衍射模型分析了几种典型衍射微光学元件衍射性能，此衍射模型采用了标量衍射理论和近似近场模型的结合。 TE和TM两种偏振模式均运用此近似矢量衍射模型进行了分析，我们发现此衍射模型可以得到比标量衍射理论更准确的结果，而与严格电磁场理论相比，它占用很少的计算时间。     

偏心误差对长波红外波段多层衍射光学元件衍射效率的影响

基于衍射光学元件的相位延迟和衍射效率表达式,推导出了含有偏心误差的多层衍射光学元件衍射效率表达式。建立了含有偏心误差的多层衍射光学元件衍射效率的数学模型,分析了偏心误差对多层衍射光学元件衍射效率及多色光积分衍射效率的影响。以在8~12μm波段内的硫化锌(Zn S)和锗(Ge)为基底材料构成的多层衍射光学元件为例,其设计波长对为8.79μm、11.11μm,构成多层衍射光学元件的两层谐衍射元件微结构高度为78.3391μm、34.6076μm,当多层衍射光学元件的环带宽度分别为500μm和1000μm时,其衍射效率达到95%以上时,偏心误差须分别控制在5.8μm和11.17μm以内。该含有偏心误差的多层衍射光学元件的衍射效率分析模型对于多层衍射光学元件的设计与加工具有重要意义。     

用菲涅耳理论研究衍射光路可逆性

 用菲涅耳衍射理论研究了光栅及双光栅成像系统衍射光路的可逆性。首先用菲涅耳衍射理论分析单片光栅衍射光的复振幅分布,根据其复振幅分布的相位关系研究其可逆性;再根据单片光栅衍射光路所具有的结论来分析双光栅衍射成像效应的衍射光路可逆性,得到了光栅衍射光路及双光栅成像系统光路具有部分可逆性;应用衍射光路的部分可逆性诠释了双光栅成像效应的本质及光栅的汇合光谱特性是色散光谱特性的逆效应,并根据衍射光路具有部分可逆性的特性实现了图像处理。     

光学波段量子点阵衍射光栅的衍射特性

 概述了量子点阵衍射光栅的原理及制作方法,并设计标定实验,研究了不同角度及不同波长入射情况下量子点阵光栅的衍射特性。研究结果表明：量子点阵光栅不存在高级衍射,只保留了±1级和0级衍射,具有理想的单级衍射模式。光学波段量子点阵衍射光栅的成功研制为研制紫外、X光波段具有单级衍射特征的光栅提供了契机。     

亚波长光栅衍射效率特性设计的遗传算法优化

亚波长光栅中的衍射需要使用矢量衍射理论进行分析,其衍射效率与多个因素有关,对任意面形、任意入射条件的亚波长光栅的衍射来说,使用严格的耦合波理论进行分析计算可以得到数值解。通过分析不同参数条件下的衍射特性和衍射效率对各个参数的敏感性,获得了对衍射效率影响最大的光栅参数——槽深。用接近衍射效率曲线的抛物线作为目标函数建立了适应度函数。使用遗传算法进行优化,得到了所期望的衍射效率滤波特性,从而完成了具有防伪功能的亚波长光栅的设计。     

平行单色光狭缝衍射的区域划分

利用基尔霍夫衍射公式通过数值计算绘制出理想狭缝在不同区域的衍射光强分布,并与菲涅耳衍射公式及夫朗禾费衍射公式的计算的结果比较,对基尔霍夫衍射公式、菲涅尔衍射公式和夫朗禾费衍射公式的适用范围做了详细的讨论.     

大数值孔径衍射透镜的优化设计方法

本文针对大数值孔径衍射透镜工艺制作难的问题,以菲涅耳衍射透镜为例,研究了相位匹配原理并提出了一种优化设计二元大数值孔径衍射透镜的方法。在菲涅耳衍射透镜原理的基础上,确定了优化设计多相位台阶衍射透镜的结构参数,并给出了一个设计实例,最后对结果元件的衍射效率进行了分析与讨论。     

直尺衍射现象及分析

衍射是光的波动性的一个重要特征,而光栅衍射则是其中一类常见且重要的衍射现象.当激光束入射直尺边缘或表面时会出现半圆形衍射光斑,其产生机理并不清楚.针对直尺边缘与表面的半圆形衍射光斑,本文理论结合实验分析了其产生机理.研究发现,当直尺表面或侧面存在规则的类光栅结构时,其衍射光斑为半圆形.利用标准二值光栅模型分析了直尺衍射问题,发现半圆形衍射光斑起源于多套光栅衍射的叠加.     

方孔夫琅禾费衍射的数值模拟

根据惠更斯-菲涅耳原理,利用数值计算的方法对方孔夫琅禾费衍射实验进行了模拟,在验证衍射理论的同时,还得到了非傍轴区域和微方孔的衍射图,拓展了衍射的概念,为深入理解光的衍射提供了参考.