基于非球面基底的红外谐衍射元件设计

根据谐衍射透镜的特点以及非球面校正像差的独特性能,将谐衍射面制作在非球面基底上制成单透镜,该单透镜应用于红外系统中,能够在两个波段1．8～2．4μm和3．4～4．8μm内同时较好地校正系统的色差,有效地校正此单片镜系统的像差,在设计波段内大幅度提高了衍射效率,成像质量接近衍射极限。     

大口径薄膜衍射主镜面形误差仿真分析

以理想坐标面为参考面,建立了大口径薄膜衍射主镜面形误差与波前误差的关系模型.首先建立了子镜面形误差模型;其次根据导出的子镜波前误差与大口径薄膜衍射主镜波前误差关系式,分别讨论了边缘褶皱面形和球面面形两种形变情况下不同区域子镜的形变允许范围;最终通过全体子镜的波前误差反向拟合Zernike多项式,得到了不同形变情况下主镜的低阶像差类型.研究结果可为成像系统的像差校正提供理论依据,对大口径薄膜衍射主镜的夹持装配有参考意义.     

微米级双层复合结构的一步光刻制备技术

设计了两种具有不同参数的光刻掩模版,利用光刻技术制备了两种微米级双层复合结构。研究了曝光能量对凹形缺口深度的影响,同时采用有限差分时域法分析了掩模版曝光时的光场分布情况,阐明了微米级双层复合结构形成的物理机理。实验结果表明：通过调整曝光能量的大小,能够有效地控制凹形缺口的深度。对8μm厚的AZ9260光刻胶来说,不高于160 mJ/cm²的曝光能量是制备出微米级双层复合结构的关键。该技术在制备微米尺寸的分层器件方面有着潜在的应用前景。     

棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算

设计了离轴全球面成像光谱仪和离轴校正透镜棱镜分光成像光谱仪两种光学系统.在离轴全球面成像光谱仪的基础上,提出了改进型离轴校正透镜光谱仪,仅采用一个色散棱镜,避免了大口径同心透镜;有效校正了大视场像差,色散非线性修正效果显著.通过调节离轴角和光谱仪的焦距控制了畸变,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,减小了残余像差,并降低了整个光谱仪工程实施的难度.从工程合理性、加工可实现性和光学性能等方面比较了两个系统的特点,推导和给出了光谱分辨率和狭缝弯曲的计算结果.从设计结果看,改进型离轴校正透镜光谱仪的传递函数最小值大于75％,而离轴全球面成像光谱仪的最小值只大于60％.从加工难易程度看,离轴全球面成像光谱仪采用一个接近Φ200 mm的石英透镜,其透射材料远不如改进型离轴校正透镜光谱仪透镜材料的均匀性和面形准确度高,而且大口径透镜大大增加了制备难度和成本.从工程布局看,改进型离轴校正透镜光谱仪充分考虑了与机械结构的匹配,狭缝与第一面反射镜的轴向距离较合理.从光谱特性看,两个光学系统的光谱分辨率结果基本接近,离轴全球面成像光谱仪光谱弯曲结果略好于离轴校正透镜结构.因此,综合比较得出离轴校正透镜光谱仪是最佳的选择方案,该系统可应用在短波红外波段的光谱成像的遥感探测.     

棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算

设计了离轴全球面成像光谱仪和离轴校正透镜棱镜分光成像光谱仪两种光学系统.在离轴全球面成像光谱仪的基础上,提出了改进型离轴校正透镜光谱仪,仅采用一个色散棱镜,避免了大口径同心透镜;有效校正了大视场像差,色散非线性修正效果显著.通过调节离轴角和光谱仪的焦距控制了畸变,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,减小了残余像差,并降低了整个光谱仪工程实施的难度.从工程合理性、加工可实现性和光学性能等方面比较了两个系统的特点,推导和给出了光谱分辨率和狭缝弯曲的计算结果.从设计结果看,改进型离轴校正透镜光谱仪的传递函数最小值大于75%,而离轴全球面成像光谱仪的最小值只大于60%.从加工难易程度看,离轴全球面成像光谱仪采用一个接近Φ200mm的石英透镜,其透射材料远不如改进型离轴校正透镜光谱仪透镜材料的均匀性和面形准确度高,而且大口径透镜大大增加了制备难度和成本.从工程布局看,改进型离轴校正透镜光谱仪充分考虑了与机械结构的匹配,狭缝与第一面反射镜的轴向距离较合理.从光谱特性看,两个光学系统的光谱分辨率结果基本接近,离轴全球面成像光谱仪光谱弯曲结果略好于离轴校正透镜结构.因此,综合比较得出离轴校正透镜光谱仪是最佳的选择方案,该系统可应用在短波红外波段的光谱成像的遥感探测.     

衍射光学元件检测及数据处理

衍射光学元件以其优异的光学性能,能够调制出理想的波面,较球面、非球面光学系统在校正色差方面具有较大优势。衍射光学元件的加工难点在于其加工精度不仅要求非球面基底的面形满足精度要求,还需要衍射结构的相位突变点及高度满足要求。由于其面形非连续性,存在相位突变点,传统的检测方式难于满足要求。对轮廓仪检测误差来源进行分析,结合检测数据分析加工误差数据,在此基础上进行数据处理,并将该方法获得的误差数据应用于零件加工,实现口径120 mm衍射面加工面形误差为0.539 μm。     

用于近场集成光学头微透镜器件的灰度掩模技术

讨论了制作适用于近场集成光学头中的凸形、凹形微透镜和折衍射复合微透镜的灰度掩模技术。定性地给出了与几种典型的凸形、凹形微透镜和折衍射复合微透镜对应的灰度掩模版的设计实例 ,以及将它应用于光刻操作的情况 ,为采用灰度掩模技术制作适用于近场集成光学头中的微透镜器件奠定了基础。灰度掩模技术在微透镜器件的制作方面具有重要的应用前景 ,有助于简化制备工艺 ,降低制作成本 ,优化微透镜阵列的结构参数。     

10m大口径薄膜衍射主镜的色差校正技术研究

分析了薄膜衍射主镜的成像性能及色散特性,利用含有衍射面的反射式消色差光路校正了衍射主镜的强色散,使成像系统的工作波段达到40nm、视场达到0.02°,设计了10m口径、115.73m总长的短结构合成孔径薄膜衍射成像系统.结果表明,消色差光路将两边缘波长0.58μm与0.62μm之间的焦距差由5.34m减小到17.27μm.该研究提供了一种薄膜衍射主镜成像系统的设计方案,可为超大口径薄膜衍射成像系统的工程化研究提供参考.     

蓝宝石基底上制备蠕虫状ZnO及强紫外发光性能研究

选用纳米球刻蚀技术在蓝宝石（Al₂O₃）基底上制备350 nm聚苯乙烯（PS）微球密排掩模版,然后采用反应射频磁控溅射方法分别在PS/Al₂O₃和Al₂O₃基底上沉积氧化锌（ZnO）薄膜,去除掩模版的PS微球后,对经退火处理的两种样品进行X射线衍射分析、扫描电子显微镜观察和荧光光谱测试。结果表明,在PS/Al₂O₃上生长的ZnO薄膜（样品1）的晶粒呈明显的蠕虫状,而直接在Al₂O₃基底上生长的ZnO薄膜（样品2）表面晶粒为不完全六棱台形状。样品2的结晶性能优于样品1,但是在362 nm附近样品1的近带边缘荧光发射峰强度比样品2的发射峰强43倍。     

多台阶圆形衍射微透镜聚焦性能的矢量分析

给出了基于旋转体时域有限差分法的严格的矢量分析模型,应用该模型分析了多个多台阶圆形衍射微透镜的设计实例.研究了设计参量和制作误差对其聚焦性能的影响.结果表明增加环带数,但保持其他设计参量例如焦距、入射波长不变时,焦点场强增大、焦斑变小、焦深变短;只增加台阶数时,聚光作用加强,但台阶数达到8～10后,聚焦效果趋向稳定,因此建议在实际加工中,台阶数选择8～10.用二元掩模板套刻制作多台阶时,容易产生制作误差.设计了在第三次套刻制成8个台阶过程中产生了对准误差和系统刻蚀误差的两类多台阶微透镜.分析结果表明对准误差对多台阶微透镜聚焦效果的影响较大,加工时要尽量避免,而系统刻蚀误差对多台阶微透镜聚焦效果的影响较小.     

减小薄板玻璃工件研磨变形的研究

针对薄板玻璃刚度差，在研磨中易产生变形这一特点，探讨了减小其变形的不同方法。我们用传统的上盘法粘结固定工件进行加工，工件在下盘前面形精度较好，能满足要求（在２５ｍｍ×２５ｍｍ面积上的平面度为０．０５μｍ），但在下盘后产生的变形使其面形精度下降，在２５ｍｍ×２５ｍｍ面积上的平面度为０．２μｍ，已不能满足要求。采用真空吸附法国固定工件，消除了工件在粘结过程中由于温度变化产生的变形，而且在研磨过程中又设法减小对工件施加的压力，从而减小了工件在研磨过程中产生的变形，使加工后的工件面形与加工过程中的面形接近，这就保证了工件的面形精度。     

激光直写方法制作透明导电金属网栅

介绍了利用激光直写光刻技术在200mm×200mm基片上制作线宽为5μm,周期为350μm的红外透明导电金属网栅的工艺过程,对激光直写光刻技术和机械刻划掩模接触光刻制作金属网栅结构的两种方法进行了比较,给出了激光直写制作金属网栅的优点.     

Fabrication of an integrated optical Mach-Zehnder interferometer based on refractive index modification of polymethylmethacrylate by krypton fluoride excimer laser radiation

It is known that deep ultraviolet (UV) radiation induces a refractive index increase in the surface layer of polymethylmethacrylate (PMMA) samples. This effect can be used for the fabrication of integrated optical waveguides. PMMA is of considerable interest for bio and chemical sensing applications because it is biocompatible and can be micromachined by several methods, e.g. structuring by photolithography, ablation and hot embossing. In the presented work direct UV irradiation of a common PMMA substrate by a krypton fluoride excimer laser beam through a contact mask has been used to write integrated optical Mach-Zehnder interferometers (MZI). MZI are used as sensitive bio and chemical sensors. The aim was to determine contact mask design and laser irradiation parameters for fabricating single-mode MZI for the infrared region from 1.30 μm to 1.62 μm. Straight and curved waveguides have been generated and characterized to determine the optical losses. The generation of channel waveguide structures has been optimized by a two step irradiation process to minimize the lithographic writing time and optical loss. By flood exposure to UV laser radiation in the first step the optical absorption of PMMA can be increased in the irradiated region. The required refractive index profile is then achieved with a second lithographic irradiation. The spectral behaviour of an unbalanced, integrated optical MZI fabricated by this excimer laser based contact mask method is shown for the first time. Further the optical intensity at the output port of a MZI has been measured while the optical path length difference was tuned by creating a temperature difference between the two arms of the MZI.     

石英微透镜阵列的制作研究

叙述了采用氩离子束刻蚀的方法制作线列长方形拱面石英微透镜阵列.所制单元石英微透镜底部的外形尺寸为(300×106)um²,平均冠高7.07μm,平均曲率半径202.19μm,平均焦距404.38μm,平均F₂数为3.82,平均光焦度2.47×10³屈光度,扫描电子显微镜和表面探针测试表明,所制线列石英微透镜阵列的图形整齐均匀,单元长方形拱面石英微透镜的轮廓清晰,表面光滑平整.所制微透镜阵列用于高T_c超导红外探测器阵列的实验证实,微透镜的引入可以显著改善超导探测器的光响应特性.     

A performance evaluation test for laser line scanners on CMMs

This paper presents a performance evaluation test for laser line scanners on 3D coordinate measuring machines (CMMs). Laser line scanners are becoming more popular in recent years, mainly for free form inspection tasks and reverse engineering. Error specification of these scanners is difficult because of many influencing factors like surface quality, surface orientation and scan depth. Therefore, procedures for evaluation and verification of conventional contact probes (e.g. touch-trigger probes) are not appropriate for non-contact laser line scanners. A straightforward test method that uses a planar test artefact is proposed. It enables to identify the influence of in-plane and out-of-plane angle, as well as scan depth on systematic and random errors of the laser scanner. Experimental results show that the tested commercial laser scanner, after calibration, exhibits systematic errors of about 10 μm.     

极紫外投影光刻接触孔掩模的快速仿真计算

采用一个极紫外投影光刻掩模衍射简化模型实现了三维接触孔掩模衍射场的快速仿真计算。基于该模型,得到了接触孔掩模衍射场分布的解析表达式,并对光刻成像时的图形位置偏移现象进行了解释和分析。简化模型中,掩模包括吸收层和多层膜两部分结构,吸收层的透射利用薄掩模修正模型进行计算,多层膜的反射近似为镜面反射。以周期44 nm、特征尺寸分别为16 nm和22 nm的方形接触孔为例,入射光方向发生变化时,该简化模型与严格仿真相比,图形特征尺寸误差小于0.4 nm,计算速度提高了近100倍。此外,考虑到多层膜镜面位置对图形位置偏移量的影响,得到了图形位置偏移量的计算公式,其计算结果也与严格仿真相一致。     

小孔阵列式太阳敏感器的光学系统设计

微型数字式太阳敏感器光学系统由APS CMOS图像传感器和基于MEMS工艺的小孔阵列式光线引入器组成。图像传感器的分辨率为1024×1024pixel,像素尺寸为10μm×10μm;光线引入器具有微小孔阵列结构,小孔为方形孔,30×30阵列,尺寸为60μm×60μm,间距为250μm。光线引入器采用了MEMS工艺的掩模板制备工艺。针对所设计的光学系统计算了曝光时间,并在此基础上进行了地面成像实验。实验结果表明,光学系统设计合理,保证了敏感器所具有的高精度和大视场。     

红外跟踪系统中非球面硅透镜加工技术研究

随着军用光学仪器的飞速发展,红外光学材料单晶硅广泛应用于红外光学元件和半导体行业,为了满足精密仪器对光学系统的要求,对光学元件的面型精度要求越来越高。针对红外跟踪系统中对高精度单晶硅透镜的加工技术要求,以Ф26 mm的单晶硅透镜为例,通过多次反复研磨修抛和检测分析,并不断优化工艺参数,设计了特殊的夹具,解决了单晶硅表面光洁度问题以及中心偏差难以控制的加工技术难题,并实现了批量生产。经检测,单晶硅非球面面形精度达到0.2 m,表面光洁度达到Ⅲ级以上,中心偏差在1 m以内,各项参数均满足了红外跟踪系统的要求。     

Controlled repeated chemical growth of ZnO films for dye-sensitized solar cells

The controlled growth of ZnO nanorods perpendicular to substrate surface i.e. c-axis by a repeated chemical deposition method for efficient dye-sensitized solar cell application is described. X-ray diffraction study shows the wurtzite structure of ZnO with high crystallinity. Intensity and newly evolved peaks of the ZnO are found to be thickness dependent. Dye loving flower-like globular architecture of ZnO is observed after 8 μm thickness. Dye-sensitized solar cell studies show the solar-to-electrical conversion efficiency of 2.21% for 11 μm ZnO electrode when illuminated with 80 mW/cm².     

Design,fabrication, and characterization of Ti/Au transition-edge sensor with different dimensions of suspended beams

For photon detection, superconducting transition-edge sensor (TES) micro-calorimeters are excellent energy-resolving devices. In this study, we report our recent work in developing Ti-/Au-based TES. The Ti/Au TES devices were designed and implemented with a thickness ratio of 1:1 and different suspended structures using micromachining technology. The characteristics were evaluated and analyzed, including surface morphology, 3D deformation of suspended Ti/Au TES device structure, I-V characteristics, and low-temperature superconductivity. The results showed that the surface of Ti/Au has good homogeneity and the surface roughness of Ti/Au is significantly increased compared with the substrate. The structure of Ti/Au bilayer film significantly affects the deformation of suspended devices, but the deformation does not affect the I-V characteristics of the devices. For devices with the Ti/Au bilayer (150μm×150μm) and beams (100μm×25μm), the transition temperature (T_c) is 253 mK with a width of 6 mK, and the value of the temperature sensitivity α is 95.1.