二元光学：90年代的光学技术

二元光学是在计算全息与相息图研究发展的基础上新兴的一个光学学科分支．在光的衍射原理的基础上，通过计算机设计与微电子加工技术，人们研制成二元光学器件．它是一种片基表面深度为亚微米级的台阶形分布的纯相位器件，可以微型阵列化与集成化．它在激光波面校正、激光相干合成、微透镜阵列、红外光系统、光雷达、光通信、光互连与光计算等方面有非常良好的应用前景．     

面向纯相位型全息显示的自适应混合约束迭代算法

纯相位型计算全息图舍弃全息面上的振幅信息,降低了全息显示的图像质量.迭代法通过多次正、逆向的波前传播计算,优化了纯相位型计算全息图的相位轮廓,提升了全息再现的图像质量.然而,传统迭代法可能存在迭代发散、收敛速度偏慢以及再现质量受限等问题.本文提出了一种基于角谱传播模型的自适应混合约束迭代算法,通过在迭代中加入自适应的反馈机制和频带约束策略,增加了迭代优化的自由度,提升了迭代的收敛性和全息再现的图像质量.仿真和实验结果表明,提出的算法能够在较短的计算时间内获得更高重建质量的纯相位型计算全息图,对于高质量的全息显示具有重要应用价值.     

利用空间光调制器实现计算全息三维显示

针对目前三维物体计算全息算法数据量大、计算速度慢及共轭像影响再现效果问题,提出一种全息体视图计算方法。根据人眼双目视差立体视觉原理,由摄像机获取三维物体不同角度的二维序列视差图像,通过计算全息算法得到多视角全息图,合成三维物体全息体视图。在迭代傅里叶变换算法的基础上,采用预设初始相位并增加反馈因子的方法,提高相息图的计算效率。基于液晶空间光调制器构建光学系统,对计算的全息体视图进行了光学再现。结果表明:该方法有效地排除了共轭像的干扰,相息图的迭代计算效率提高30%以上,再现图像与目标图像的结构相似度大于0.85。     

利用相位型衍射光栅生成能量按比例分布的多个螺旋光束的研究

研究了基于计算全息光栅的方法产生能量按比例分布的多个螺旋光束的技术.在计算全息光栅的过程中引入了Gerchberg-Saxton迭代算法,并在此基础上利用位相型空间光调制器产生了具有轨道角动量态的多种光束,实现了多个指定轨道角量子数的螺旋光光场分布.给出了计算机仿真结果和实验结果,表明利用Gerchberg-Saxton迭代算法生成的位相型光栅可以生成多个指定轨道角动量量子数的光束,研究结果对于利用轨道角动量进行信息传输有益.     

纯相位菲涅尔全息图的反馈迭代算法及其硅基液晶显示

研究了纯相位菲涅尔计算全息图的制作方法,给出了一种生成纯相位菲涅尔计算全息图的算法.首先研究了菲涅尔衍射的数值模拟算法,分析了两种数值模拟算法的计算速度.将计算速度较快的菲涅尔衍射数值模拟算法和迭代算法相结合,并引入比例反馈,得到纯相位菲涅尔计算全息图的反馈迭代算法.其次,对比例反馈系数的选取进行了实验研究,得到其最优经验值范围,然后进行了仿真实验.仿真结果表明,该算法降低了重构误差,提高了全息图重构质量.最后基于新型空间光调制器反射型硅基液晶,建立了全息显示光电实验系统,对该算法进行了验证.     

计算机制相位彩虹全息近眼显示

基于现有的相位空间光调制器,提出并实现了计算机制相位彩虹全息近眼显示.指出带限条件下物光在全息面上相位分布的计算及高频闪耀光栅纵向色散的控制是实现相位彩虹全息的关键要素.在计算相位彩虹全息图时,首先利用带限条件下的角谱衍射算法获取全息面上物光的复振幅分布,并利用双向误差扩散算法将复振幅分布编码为相位分布.然后,对参考光对应的高频闪耀光栅的相位进行编码,得到计算机制相位彩虹全息图.最后,设计了包含白色点光源、准直透镜、空间光调制器、4f滤波系统及目镜的全息彩色近眼显示系统,并通过光学再现获得了相位彩虹全息近眼显示效果,证明了所提方法的有效性.     

实现交叉光互连的全息元件的研究

光学互连与电互连相比,具有并行处理、传输速度快、信息容量大、空间频带宽、串音小和能量损耗低等优点,因此在光计算和信息处理领域中成为越来越吸引人的课题[1~4].在光信息处理中,光互连在实行多种函数及变换过程中具有重要的地位[5].在数字光计算中,光互连可实行多种算法和构造,其中自由空间规则光互连如全混洗(perfect shuffle)光互连、交叉(crossover)光互连及蝶(butterfly)光互连已得到广泛研究和应用[6~8].     

一种三维物体相息图的迭代计算方法

在传统迭代傅里叶变换算法的基础上,提出了一种计算三维物体相息图的新方法.基于层析法将三维物体的多个分层物面作为衍射再现图像,在一个输入面(相息图)和多个输出面(再现像)之间进行迭代.通过在傅里叶迭代运算中引入距离相位因子,表示物体不同物面的深度,体现了物体的三维特征.实验结果证明了本文算法良好的收敛特性和再现性能.最后,分析了物面数量和间距对全息再现质量的影响,利用液晶空间光调制器采用时分复用的方法还原了三维物体的多个物面.     

光互连模块中偶数大点阵64×64位相计算全息光栅的简化设计和分析

采用简化的综合设计方法，对偶数大点阵位相计算全息光栅进行了优化设计和分析，实验上研制出用于光互连模块的６４×６４大点阵位相计算全息光栅分束器，优化设计一维衍射效率为８０．１％，光强不均匀性小于０．３％。     

共轭对称延拓傅里叶计算全息

提出一种计算全息算法,将物光波进行共轭对称延拓,经快速傅里叶变换直接生成实函数,其中包含物光波的幅度和相位信息,可编码得到灰度全息图.利用此全息图可清晰地再现原物光波.通过共轭延拓生成计算全息图的方法与以往基于干涉的计算全息不同之处在于,这里并不需要模拟物光和参考光的干涉,计算效率很高.利用生成的全息图在数字再现和光电再现实验中均获得了良好的效果.理论推导和实验结果都验证了算法的有效性. 关键词： 计算全息 共轭对称 数字再现 光电再现     

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

自由空间光互连的发展

介绍自由空间光互连技术的发展。评述如何利用自由空间光互连技术构成互连网络和利用自由空间光互连技术在二维光电逻辑元件中实现三维光互连的早期研究、目前自由空间光互连技术在VLSI中的应用以及自由空间光互连的前景。     

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

一种基于角谱理论的改进型相位恢复迭代算法

进行星间激光通信的光学发射天线光束整形器设计时, 首要解决的问题是根据输入光场及理想的输出光场, 确定整形器的相位分布, 其核心就是相位恢复. 基于角谱传播理论, 在传统 Gerchberg-Saxton (G-S)迭代算法的基础上, 提出了一种幅度梯度加成迭代算法, 给出了算法的详细流程与分析. 与G-S相比, 新算法利用迭代过程, 构建光场幅度反馈回路, 利用梯度搜索最佳迭代路径, 两者的联合作用加速其迭代收敛进程. 数值仿真表明, 新算法的单位迭代次数所引起迭代误差下降的速度是G-S算法的1.7倍, 其收敛速度明显优于G-S算法; 对不同的随机初始相位, 新算法都能进行有效迭代, 表现出适应性强, 且收敛一致性好的优点. 幅度梯度加成迭代算法为复杂光场的高效相位恢复提供了一种新思路, 为设计各种衍射光学元件提供了技术支持. 关键词： 相位恢复 迭代算法 角谱理论 光通信     

光学全混洗网络互连函数的矩阵描述及其应用

采用自由空间光学互连技术实现的全混洗网络是数字光计算系统的基本互连网络,本文针对全混洗互连函数现有描述方法的不足,引入了描述全混洗互连函数的互连矩阵,并给出了全混洗网络互连矩阵的具体形式,为模拟或验证全混洗网络实验结果提供了理论依据。     

变形镜高斯函数指数对迭代法自适应光学系统的影响

基于613单元自适应光学系统, 描述了迭代矩阵和斜率响应矩阵的特性. 在变形镜驱动器间距和交连值不变的情况下, 研究了变形镜高斯函数指数对迭代矩阵和斜率响应矩阵稀疏度的影响, 对自适应光学系统稳定性和校正能力的影响. 研究表明, 迭代矩阵和斜率响应矩阵的稀疏度随着变形镜高斯函数指数的增大而减小. 高斯函数指数过大或者过小都会影响自适应光学系统的稳定性和校正能力. 最后, 综合迭代矩阵和斜率响应矩阵的稀疏度、自适应光学系统的稳定性和校正能力, 给出了合理的变形镜高斯函数指数的取值范围.     

基于级联相位恢复算法的光学图像加密

在虚拟光学数据加密理论模型的基础上,提出了一种光学图像加密的可视化密码构造算法。该加密算法基于自由空间传播的光学系统,利用级联迭代角谱相位恢复算法把待加密图像分别编码到两块相位模板之中,从而实现图像的加密。该加密技术不但可通过同时调整两块相位模板的相位分布的搜索策略来扩大搜索空间,提高安全强度,而且扩大了系统密钥空间,使系统获得更高的安全性,且能通过简单的数值运算或光学实验装置得到质量非常高的解密图像,还从理论上分析了该算法的时间复杂度。计算机模拟结果表明,该加密算法的收敛速度快,能迅速找到非常好的近似解,解密图像质量高且系统安全性良好。     

Optimal nonmonotonic convergence of the iterative Fourier-transform algorithm

The increase of the monotonic convergence rate is an important issue for iterative Fourier-transform algorithms. However, the steepest monotonic convergence of the iterative Fourier-transform algorithm does not always promise an optimal solution in the design of a diffractive optical element. The optimal nonmonotonic convergence of the iterative Fourier-transform algorithm is investigated by employing a microgenetic algorithm. The proposed hybrid scheme of the iterative Fourier-transform algorithm and the microgenetic algorithm show nonmonotonic convergence, and this results in a superior design.     

有限口径非周期亚波长衍射聚焦偏转器的严格矢量优化

有限口径非周期亚波长衍射光学器件的亚波长结构特性使得传统标量衍射理论失效,必须借助严格电磁理论进行器件的设计。提出一种循环平面波谱算法(IterativePlaneWaveSpectrumAlgorithm,IPWSA)作为器件优化算法,利用二维时域有限差分方法作为严格电磁计算模式,根据Farn方法对器件面型进行亚波长处理,设计出有限口径非周期具有亚波长结构的衍射聚焦偏转器件,偏转角为24.8°,该器件可与激光器集成构成微型集成光学系统,也可以用在红外量子阱系统中。详细分析了算法原理,设计实例验证了算法的优化效果。     

超大规模集成电路波导光互连技术的现状与前景

介绍超大规模集成电路(VLSI)波导(?)互连技术的最新进展,并预测其发展方向,以及如阿解决存在的实际问题。