二元光学元件及其应用

叙述一种新型衍射光学元件──—二元光学元件的设计原理及其制造方法。分析二元光学元件的衍射效率和色差，讨论光刻法对其最小特征线宽的限制因素，阐明二无光学元件的特点及应用。     

入射角对双层衍射光学元件衍射效率的影响

基于单层衍射二元光学元件的相位延迟表达式,将双层衍射光学元件的衍射面用二元光学元件的台阶表面近似模拟,推导出光束斜入射时双层衍射光学元件的衍射面产生的相位延迟,揭示出含有斜入射角度的双层衍射光学元件衍射效率表达式.实例分析结果表明,双层衍射光学元件衍射效率仅在一定角度范围内对入射角的变化不敏感,当入射角度持续增大时,衍射效率随入射角的增加快速下降.当入射角从0°增大到4.5°时,衍射效率几乎没有下降;当入射角从4.5°增大到6.7°时,衍射效率开始缓慢下降到95%;当入射角从6.7°增大到9.5°时,衍射效率明显下降到80%;当入射角从9.5°增大到18°时,衍射效率快速下降到0.     

提高二元光学器件衍射效率的准连续编码策略

基于标量衍射理论，二元光学器件的衍射效率，微结构误差对衍射效率的影响，提出了一种准连续编码方法，并给出了加工非２ｎ台阶所需掩模板的具体形式。在一定的加工条件和工艺水平下，采用这种编码方法，可以不增加加工成本和工序，仅通过新颖的掩模板设计方法充分利用现有加工条件和设备，使二元光学器件的衍射效率得到很大程度的提高。从而不仅能使一般混合系统的效率得到提高，更能充分发挥混合光学系统的成像能力。此编码方法的采用有利于推进二元光学器件的实用化。     

深蚀刻二元光学元件

提出一种新颖的，蚀刻位相深度超过２π的深蚀刻二元光学技术，并从理论上分析深蚀刻二元光这元件与衍射效率的关系，然后用计算机进行模拟与分析，得到深蚀刻二元光学元件特性后一些初步研究结果。     

二元光学波面变形器件的研究

基于计算全息原理设计了二元光学波面变形器件，一块二元光学器件的衍射效率比计算全息可提高４倍，高斯波面整形需要二块整形光学器件，二元光学器件的激光利用率比计算全息提高１６倍，而且制做工艺简单．     

菲涅耳型衍射光学元件的研究

本文在衍射理论基础上,深入分析了菲涅耳型衍射光学元件的特性,针对连续及二元浮雕结构,建立了位相深度因子(M),波长匹配系数(α)与衍射效率的关系式,对影响衍射效率的因素进行了讨论.研究了设计与工艺的匹配问题,建立了数值孔径,最小特征尺寸与衍射效率的关系,为不同波段衍射光学元件的应用,及设计和评价衍射光学元件提供了有效的理论方法.本文最后举例分析了用于白光波前传感器中的小数值孔径微透镜列阵的性能,并对衍射效率及传递函数两个综合指标进行了测量.     

二元光学元件

二元光学元件是一种新型的衍射光学元件,它对光学仪器的小型化、集成化起着很重要的作用。本文介绍了二元光学元件的概况,衍射透镜理论,二元光学元件的制造方法以及发展趋势。     

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.     

二元光学元件制作误差分析与模拟

从标量衍射理论出发，首先从理论上计算出多台阶二元化学元件发生深度误差时衍射效率的解析式，然后以４台阶和８台阶闪耀光栅为例，对二元光学元件套刻制作中的主要误差及其这些误差之间的相互影响进行了系统的分析和计算机模拟研究，模拟结果给实际制作提供了重要理论指导和实验参数。     

一种新型的二元光学器件——多位相光束分束器的制作

本文报道了用于多光束分束器的反射式16位相值二元光学器件的制作。该二元光学器件把一束光束分成5×5光束阵列。测量的衍射效率为76.16%,接近理论设计值79.68%。该二元光学器件的有效孔径为10mm×10mm。     

红外混合光学系统衍射效率的测量方法及其实现

简要介绍了二元光学器件衍射效率的理论计算方法,给出了一些衍射效率的测量方法,在此基础上设计了一套实用的衍射效率测试系统,并针对一个应用在3~5μm波段的具体红外混合光学系统进行了测试,给出了测试结果,此测试系统对红外混合光学系统的设计加工具有实际意义。     

光学系统辅助装调技术研究

光学系统装调技术是高功率激光工程中的关键支撑技术之一。对光学系统装调中影响系统光束质量的误差来源进行了分析,并根据像差的装调方式进行了分类。对这两类像差的辅助装调方式进行了比较和仿真模拟。针对第一类像差,在装调模型中代入失调系统检测得到干涉图,利用计算机辅助装调模型计算出失调量的大小和方向,确定出系统的装调方案。仿真结果显示,对系统调整工作有较好指导作用。针对第二类像差,利用元件加工面形之间波像差的互补性,优化调整光学元件的装校姿态。仿真结果显示,系统的光束质量口由预期的4．916优化为1．187,提高了多元件光学系统的光束质量。     

一种二元整形元件激光直写方法的实验研究

为了实现具有复杂位相结构的二元光束整形元件,提出了采用方光点的激光直写系统来逐点光刻浮雕位相结构的方法,通过双远心投影缩微光路获得5-20 μm方点,光点尺寸对应于最小位相单元,从而获得了位相结构的高质量直写.分析了高斯光点和方光点位相单元结构对二元整形元件衍射效率的影响,方形两台阶二元整形元件的+1级衍射效率达到31%,给出了实验结果.     

Polarization converter for higher-order laser beams using a single binary diffractive optical element as beam splitter

We propose a new approach to generating a pair of initial beams for a polarization converter that operates by summing up two opposite-sign circularly polarized beams. The conjugated pairs of vortex beams matched with laser modes are generated using binary diffractive optical elements (DOEs). The same binary element simultaneously serves two functions: a beam shaper and a beam splitter. Two proposed optical arrangements are compared in terms of alignment complexity and energy efficiency. The DOEs in question have been designed and fabricated. Natural experiments that demonstrate the generation of vector higher-order cylindrical beams have been conducted.     

用二元光学技术制作计算全息波面变换元件

基于计算全息原理与二元光学技术设计制作了应用于机载平视显示器（HUD）中的计算全息波面变换元件,该元件具有较高的衍射效率,一块二元相位型计算全息元件的衍射效率比一般计算全息图的衍射效率提高了四倍,并能产生传统光学元件不能实现的光学波面,如非球面,环状面和锥面等,制作工艺简单,复制简便。     

紫外衍射微透镜阵列的设计与制备

为了提高紫外焦平面阵列的填充因子,可以通过微透镜阵列与紫外焦平面阵列的集成,以改善紫外焦平面阵列的探测性能。根据标量衍射理论设计了用于日盲型紫外焦平面阵列的128×128衍射微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为F/3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备了128×128衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为88%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列具有均匀的焦斑分布,与紫外焦平面阵列单片集成能较好地改善器件的整体性能。     

Doughnut-like beam generation of Laguerre-Gaussian mode with extremely high mode purity

An apparatus to achieve a single doughnut-like Laguerre-Gaussian (LG) mode with extremely high mode purity higher than 99.6% is reported. The proposed apparatus is a conceptual combination of a high-order HG mode selector and an astigmatic mode converter, which consists of only four simple and easily-made optical elements: three lens elements and one binary phase element. Theoretical simulations show that the apparatus has a good tolerance for both system production and alignment errors. With such high mode purity, the doughnut-like LG beam generated by the apparatus carrying an orbital angular momentum will be beneficial to numbers of studies including the trapping and rotating of micro and nano-particles, non-linear optics, and atom-light interaction.