利用严格模式理论分析光栅透镜的衍射特性

光栅透镜因其独特的光学性能而具有广泛的应用.根据光栅透镜的线宽和间距微小渐变的特点,建立了光栅透镜的物理模型,并利用严格模式理论对其衍射特性进行分析.该方法物理概念清晰、公式简洁.对光栅透镜实现谐波分离、聚焦功能时的衍射效率与槽深关系的计算结果表明,其计算速度快、数值计算结果准确可靠.并对加工误差的影响进行了模拟计算,说明了在当前的微细加工的工艺水平条件下,能够制作出满足ICF系统要求的光栅透镜.实验上制作了尺寸为100 mm的大面积光栅透镜,其衍射效率的实验测试结果与理论计算结果一致.     

ICF系统中全息透镜聚焦特性及衍射效率分析

 根据全息透镜的工作原理，利用光线追迹法对其聚焦特性进行了理论分析。使用标量衍射法分析了全息透镜的衍射效率，讨论了不同的光栅槽型对其衍射效率的影响。对分析过程中所涉及到的有关近似处理方法的使用和影响进行了说明，讨论了全息透镜用作取样光栅的优点。     

封面故事

<正>Luneburg透镜,一个经典的渐变折射率分布的球形透镜,具有无像差理想成像和理想聚焦的新奇物性。通过三维空间中渐变折射率介质调控其光传输特性,从而实现传统单一的均匀介质透镜器件所不具有的消像差、大视场的功能,在纳米光子学、集成光学、通信光纤等领域具有重要应用潜力。根据有效介质近似理论,其内部渐变的折射率分布可通过渐变超材料等效为渐变折射率介质来实现,但受现有微纳加工方法的限制,目前已     

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。     

可变焦叶绿体光学微透镜

光学微透镜在光学成像、信号探测、生物传感等方面有重要的应用。针对现有固体微透镜难以变焦和生物不兼容的问题，提出将细胞内的叶绿体作为天然的微透镜，并研究了叶绿体微透镜的聚焦特性及其在光学成像和信号探测中的应用。研究结果表明，叶绿体微透镜对不同波长的入射光能产生聚焦效应。借助光镊产生的光力可实现叶绿体形状的可控变化，进而可实现对叶绿体微透镜焦距的调节，调节范围为15～45μm。由于叶绿体微透镜具有光束聚焦特性，故其能够应用到亚波长结构的成像和荧光信号的增强中。在实验中，叶绿体微透镜实现了对线宽为200 nm的光栅结构和细胞内部肌动蛋白丝的光学成像，以及对量子点荧光信号的探测和增强。     

高斯光束通过失调透镜系统的聚焦特性

为分析透镜系统中圆孔光栏和透镜失调对高斯光束聚焦特性的影响,利用椭圆光栏近似展开式和失调光学系统的广义衍射公式,推导高斯光束经含圆孔光栏失调透镜系统传输的近似解析式,得到输出光束光强极大值场分布与光束参量、孔径尺寸、光栏和透镜失调量之间的关系。针对特定透镜系统,定量分析失调量对输出光束聚焦特性的影响。结果表明:各元件的失调对输出光束聚焦特性均产生影响,在失调量较小时透镜横位移对输出光束聚焦特性的影响比透镜角位移对输出光束聚焦特性的影响更明显。     

电控聚合物分散液晶全息透镜及特性研究

报道位相型电控聚合物分散液晶(H-PDLC)全息衍射透镜的研制及特性研究,理论上,根据耦合波理论,研究了不同的相分离程度系数下,理想位相型电控聚合物分散液晶(H-PDLC)全息衍射透镜在可见光波长(400—800nm)的衍射特性.实验研制了衍射效率最高为70%的电控H-PDLC变焦透镜样品,研究表明H-PDLC透镜具有优良的成像特性,和快速响应的电控开关特性,在光学成像系统,光通信系统中具有良好的应用前景.     

闪耀型亚波长光栅透镜的柱矢量光聚焦优化和调控

柱矢量光束的紧聚焦在光学微操纵、光学存储、激光微加工、超分辨率成像和粒子加速等领域发挥着重要作用。亚波长光栅平凹透镜对柱矢量光束的紧聚焦的能力仍有提升空间,本文利用闪耀结构将光的能量从零级转移并集中到-1级,对亚波长光栅平凹透镜的聚焦性能进行优化。提高了透镜的衍射效率,增强了焦场的能量。通过调整高斯径向偏振光的形状参数,改变入射光振幅及入射区域半径实现对焦场能量的动态调控。进一步地,调控柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地横向调制焦场,获得多样化形貌的焦斑。本文的优化手段对于其他光栅透镜也具有参考意义,该研究结果在超分辨率成像以及光场调控等领域具有潜在的应用价值。     

体全息成像系统中非周期体光栅的深度选择性研究

由一束球面波和一束平面波或者两束球面波干涉所形成的体全息光栅,由于其光栅矢量在全息图体积内是随位置的变化而变化的,所以被称为非周期型的体光栅。主要研究了用于体全息三维成像系统的非周期体光栅的深度选择特性。根据叠加的原理,将非周期体光栅看作多个固定周期的基元体光栅的叠加,结合耦合波理论分析非周期体光栅的衍射特性。采用这一方法,利用Matlab软件模拟,研究了两束记录光夹角对所记录的非周期体光栅深度选择性的影响和在两束记录光夹角相同时,球面参考光体全息成像系统及平面参考光体全息成像系统深度选择性的差别,最后在光折变晶体材料中进行非周期型和周期型体光栅的记录和再现,对模拟结果进行了实验验证。     

利用均匀相位掩模板制作线性啁啾光纤光栅

理论上分析并从实验上验证了一种利用均匀相位掩模板写入啁啾光纤光栅的方法:将光纤弯曲,由于光纤离掩模板的距离不同从而使光纤光栅的周期轴向渐变,由此产生啁啾。分析了这种啁啾光纤光栅的谱特性和时延特性,同时也分析了由于光纤离掩模板的距离不同而引起的折射率调制变化给光纤光栅特性带来的影响。设计了一种石英曲面,利用其使光纤按照弯曲函数进行弯曲,然后进行紫外曝光制成了线性的啁啾光纤光栅。实验中制作的啁啾光纤光栅色散值为-1102 ps/nm,纹波为17ps。通过改变弯曲函数就可以实现利用一块均匀相位掩模板制作不同啁啾量的啁啾光纤光栅的目的,降低了啁啾光纤光栅的制作成本。     

光栅周期包含的Bragg层数对Bragg型凹面衍射光栅的影响

单个衍射光栅周期所包含的Bragg周期层数是连续Bragg齿型凹面衍射光栅的主要参数之一,该参数可改变光栅齿结构,对凹面衍射光栅的分辨力.自由光谱范围及衍射效率有重要影响.本文通过理论分析与仿真模拟,对比了4种不同层数的Bragg型凹面衍射光栅的特性参数.研究结果表明:在衍射光栅尺寸不变的情况下,改变单个光栅周期包含的Bragg周期层数不会显著提高器件主衍射级次的分辨力;单个光栅周期包含的Bragg周期层数与光栅可衍射的级次数成正相关.单周期层数的Bragg凹面衍射光栅的主衍射级次效率最高,其可衍射的级次数最少,且其他衍射级次分散的能量最少;增加单个光栅周期所包含的Bragg周期层数会降低主衍射级次的自由光谱范围.该研究对于设计低插损、高分辨率、宽工作波段的波分复用器或光栅光谱仪具有重要的指导意义.     

局域体全息光栅衍射的平面波与柱面波的波前转换研究

利用一维耦合波理论研究了入射方向相互垂直的一束平面波与一束柱面波干涉形成光折变局域体全息光栅的波前转换情况。给出了透射波和衍射波振幅的解析表达式。讨论了该局域体全息光栅的几何尺寸以及全息透镜的焦距对光栅衍射效率的影响。结果表明,随着光栅横向尺寸的增加,光栅的衍射效率也逐渐增加。然而,光栅的衍射效率却随着光栅纵向尺寸的增加而减小。全息透镜的焦距越长,光栅的衍射效率也越大。此外,分析了光栅的布拉格选择特性,该光栅具有非常好的角度选择特性。在平面波与柱面波干涉形成全息透镜的设计中,为了获得最优的衍射效率,应当根据要求合理地选择记录所用柱面波和设计光栅的几何尺寸。     

Electromagnetic effects for the resonance-domain IR diffractive optics

Binary optics technology enables the manufacture of arrays of diffractive micro-optical elements which are used in many optoelectronic devices, e.g. the focal plane collection optics. The first-order diffraction grating efficiency decreases in the best part of the resonance-domain region of diffraction, i.e. when the grating period is close to the optical wavelength in the substrate material. A large fraction of the fast binary lens surface relief is built of staircase annular structures whose width is of wavelength scale. Therefore, the rigorous electromagnetic theory of gratings has been applied in this paper to calculate and analyze the diffraction effects for the resonance-domain longwave (8–12 μm) infrared (LWIR) binary optics. It is shown that electromagnetic effects limit the speed of the LWIR first-order diffractive lenses and the optical gain achievable with the diffractive lenses used as the focal plane collection optics in the IR detection systems.     

二极管激光光栅-外腔光谱合成技术模拟研究

 光栅-外腔光谱合成效率主要由激光器和外腔的耦合效率决定。从衍射积分方程出发,建立了存在离轴像差情况下耦合效率模型,分析了光谱合成系统参数对耦合效率的影响。结果表明：当离轴距离增加、横模阶次增大、模场半径减小、阵列平面或光栅平面偏离焦平面时,耦合效率随之下降;光栅倾角和光栅平面-耦合输出镜距离对耦合效率影响甚微。对采用焦距为500 mm的对称双球面透镜,长度为10 mm二极管激光阵列的系统,快轴方向模场半径应大于0.15 mm, 慢轴方向模场半径应大于 20 μm, 阵列平面位置误差应控制在±0.5 mm内,光栅平面位置误差应控制在±0.2 mm内。     

基于槽形函数拟合的刻划光栅衍射特性分析方法

作为对光栅刻划工艺的理论指导，提出了一种基于槽形函数拟合的机械刻划光栅衍射特性分析方法，解决了高刻线密度光栅衍射效率测量值与理论值偏差较大的问题.以刻线密度为1200l/mm的紫外光栅为例，对光栅主截面上的实际槽形纵横坐标扫描取值，进而拟合出槽形函数，经理论计算找到了导致衍射效率偏低的原因，并通过改进工艺，使光栅衍射效率提高了约20%. 关键词： 刻划光栅 槽形函数拟合 衍射特性 分析方法     

Quasi-fractional Talbot effect of resonant diffraction grating

The Fresnel diffraction of resonant diffraction grating is studied on the basis of the modal method, and it shows that the conventional fractional Talbot effect can still occur by choosing appropriate parameters. The Fresnel diffraction distributions of the resonant diffraction gratings with periods between λ and 4λ are analyzed, and the diffraction fields exhibit periodicity in both grating direction and the propagating direction. The experiment is carried out to verify the simulation results of the quasi-fractional Talbot effect of the resonant diffraction grating. This effect has potential application in lithography for high-resolution patterning.     

Interferometric focal length measurement of power-distributed lenses

An interferometric method for measuring the focal length of power-distributed lenses is described. The test lens is illuminated by a regular pitch interferometric pattern produced by a reflective diffraction grating interferometer. In order to measure the focal length, a CCD camera digitizes the image of the pattern magnified by the lens, and fast Fourier transformed to reconstruct the phase modulo 2π along each row. The change in spatial frequency is determined by unwrapping the phase along each row of the digitized imaged pattern. The technique is used for measuring the focal length distribution inside the progression corridor of both positive and negative progressive lenses.     

Method for computing the intensity distribution in the image plane of an aberration-free lens with allowance for the wave properties of light

For the Gaussian model of a lens, a Green-function-based method is proposed to compute the intensity distribution in the lens image plane. The method is used to accomplish several test tasks, which include the simulation of the image of a square area, the diffraction by an infinitely long slit, the focusing of a convergent wave with a Gaussian amplitude profile in the focal waist region, and the image of a surface representing an analog of a diffraction grating. After a suitable modification, the method can serve for simulating the propagation of light waves within a real lens and for solving other applied problems.     

The use of defocussed position of a Ronchi grating for evaluating the refractive index of lens

This report describes a Ronchi-grating shearing interferometric collimation method for determining the refractive index of a lens. A new formula has been deduced for the refractive index of the lens, which is independent of lens parameters. This newly developed device has two lenses. One of them collimates the light from a point source while the other acts as a decollimator. The point source acting as a test target is situated in the front focal plane of the collimator. The test lens is placed inside a glass cell in the back focal plane of the collimator. The Ronchi grating is exactly placed in the back focal plane of the decollimator, and a fringe-free space is observed in the common region. When the test lens is immersed in a liquid cell, it disturbs the focal point and hence interference fringes are observed. The combined system consisting of the test lens and the decollimator is moved to bring the focal point on the Ronchi grating. Thus, the difference between the two settings gives the amount of defocusing.     

反射型变周期光栅透镜的性能研究

本文首先对各种集成光学透镜作了介绍,并对它们的优缺点进行了比较。 其次,本文对反射型变周期光栅透镜(RCGL)的原理和设计给予了详细的讨论,而且对RCGL的衍射效率和焦斑性质在理论上进行了较为彻底的研究。理论表明。RCGL的性能因光栅齿形和齿高的不同而不同,其中,以锯齿形齿的RCGL效果最好。无论何种齿形RCGL,如果齿高不理想,可失去聚焦效应。 我们制作了适用于扩Ti:LiN_bO₃波导的RGGL,它是以Si片为衬底,焦距为15mm,光栅面积为1.5mm×1.5mm。 实验结果表明:所制作的RCGL效果良好,衍射效率为14.4%,焦斑宽度(-3dB)为11μm,焦距值与设计符合良好。