中红外宽带消色差超透镜的设计

中红外热成像系统是通过探测物体本身的辐射进行成像，不需要外部光源。而传统的中红外热成像系统体积大，不利于小型化。本文基于传输相位理论，采用时域有限差分（FDTD）法，使用FDTD软件计算仿真，探究了不同的单元半径、纳米柱高度及单元周期对相位延迟及透过率的影响，并且针对不同的纳米柱半径，利用传输相位调控实现中红外（3～5μm）波长下全介质硅材料的宽带消色差超透镜设计。其数值孔径为0.24，仿真焦距值为147.3μm，半峰全宽（FWHM）为8.11μm，透镜透过率达到70%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻、全波长聚焦效率可达到54%，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在红外成像、红外夜视仪、红外遥感等技术中展现出广阔的应用前景。     

近红外超透镜的设计与制备

超透镜是基于超表面的成像器件，能够精确调控光的相位、偏振、振幅，具有轻薄、易集成、平面化的优点。针对近红外成像器件的小型化、集成化发展趋势，基于非晶硅材料设计制备了近红外偏振不敏感超透镜。针对超透镜的基元结构选择问题，对比了采用8阶、6阶基元设计的超透镜聚焦效率；为提高加工容差和降低加工难度，采用了最大深宽比为6的8阶基元设计超透镜；针对超透镜仿真与加工之间跨度大的问题，利用化学气相沉积的方法生长了600 nm厚度的多晶硅，利用电子束刻蚀等工艺制备了超透镜样品。测试结果表明:超透镜形貌结构良好，聚集效率为65%。     

介质超透镜自动设计技术及软件研究

由于超透镜在光场相位调控、多功能复合、微纳集成等方面具备传统透镜无法比拟的优势,故其在许多领域具备极大的应用潜力。但是,超透镜的设计需要专业人员具备专业知识及丰富的经验,这使得非专业人员无法快速掌握,为此阻碍了超透镜的规模化制备。通过MATLAB和时域有限差分法(FDTD)的混合编程,研究了不依赖于预设物理模型的超透镜的设计过程,实现了介质超透镜的自动化设计。通过在MATLAB编写的软件界面上输入所需的超透镜参数,后台调用FDTD设计仿真程序来构建纳米结构,可以计算出结构的尺寸与相位和透过率的关系。根据所需的相位分布来构建超透镜,最后对超透镜进行数值模拟仿真及性能评估。所述的设计流程及软件能极大地方便非专业人员进行超透镜的设计。     

负折射率材料透镜的消色差

以工作在近红外波段0.848 μm～1.114μm,焦距100 mm,入瞳直径20 mm,具有负阿贝数的负折射率平凹透镜为例,介绍了两种对该类负折射率透镜的消色差设计方法,即利用正折射率材料透镜与负折射率材料透镜组合消色差和负折射率透镜中引入衍射光学元件实现折衍射混合透镜消色差方法.结果表明,正负折射率材料透镜组合消色差方法中正折射率材料透镜承担几乎全部光焦度,进而引入大量额外单色像差,但利用衍射光学元件可以在不引入额外像差的同时实现负折射率透镜的消色差.根据负折射率材料在介质与空气分界面的特殊折射特性,推导了以负折射率为基底的衍射光学元件的衍射效率公式,得到衍射微结构高度公式,求出不同波长处的衍射效率值.负折射率二元衍射光学元件在设计波长0.912 μm处衍射效率为40.53％,在波长0.848 μm处的衍射效率为35.06％,在波长1.114 μm处的衍射效率值为39.83％.     

用角谱方法分析固体浸没透镜的近场光场

固体浸没透镜在超高度近场光存储和超分辨率显微观测中具有独特的作用，本文利用角谱理论并计及光波的矢量特性，分析了固体浸没透镜的近场矢量光场特性，给出了它的光场图样，并着重讨论了线偏光入射条件下，出射光场的偏振状态。     

基于电磁超表面的透镜成像技术研究进展

电磁超表面属于超材料的一种,是由许多亚波长纳米结构单元组成的二维功能性平面结构.根据惠更斯原理,超表面阵列可以任意调控光波的相位、振幅和偏振.与传统器件相比,基于这种超材料设计的光学功能器件最大的优势是其具有极薄的厚度.本文首先介绍了广义斯涅耳定律以及纳米单元结构调控相位的基本原理,重点归纳了电磁超表面在透镜成像技术方面的研究进展,包括等离子体超表面、全介质超表面以及金属/介质混合式超表面在成像方面的应用,最后指出了超表面在成像方面尚未解决的前沿问题以及与实际应用接轨的重要问题,希望能为以后的深入研究提供一定的参考和借鉴.     

一种自聚焦透镜的成像解

自聚焦锥透镜与圆柱透镜相比较，有其特殊之处。柱透镜在近轴平行光入射时，光线的振幅、相位、周期保持不变，而锥透镜的三者均发生变化，而且求解锥透镜的光线方程也比圆柱透镜复杂得多。本文推导了一个锥透镜的光线方程。可据此设计经过锥透镜后的光源大小，这在微系统照明中非常有用。     

单层超薄高效圆极化超表面透镜

针对超表面在透镜方面的应用, 本文设计了一种交叉极化透射聚焦超表面, 实现了将圆极化波转化为交叉极化波的同时聚焦电磁波的功能. 设计了一款旋转型单元, 单元为一层且厚度仅为1.5 mm, 分析了旋转型单元提供不同相移的原理并设计了相邻单元相移差为60°的相位梯度超表面, 在中心频率f=15 GHz附近发生奇异折射, 折射角与理论计算结果一致, 验证了设计单元的有效性, 基于该单元设计了尺寸为90 m mm×90 mm、单元数为15×15 的透射型聚焦超表面, 在中心频率f=15 GHz附近, 左旋圆极化平面波照射时, 透射波聚焦于L=40 mm 的实焦点且透射波为照射波的交叉极化波. 该超表面透镜效率高、厚度薄且为单层, 易于加工, 相对于传统透镜, 优势明显, 在操控电磁波、改善透镜性能方面有潜在应用价值.     

基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生

提出了一种基于双开口谐振环单元结构超表面的太赫兹宽带涡旋光束产生器.该结构由金属-电介质两层构成,位于顶层的是基于双开口谐振环单元结构的超表面,底层为介质层.对单元结构阵列进行数值仿真,圆偏振的入射光可以被转换成相应的交叉偏振透射光,通过旋转表层金属谐振环,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位.这些单元结构按照特定的规律排列,可以形成用以产生不同拓扑荷数的涡旋光束的涡旋相位板.以拓扑荷数1和2为例,设计了两种涡旋相位板,数值分析了圆偏振波垂直入射到该涡旋相位板生成交叉圆偏振涡旋光束的特性.结果表明,在1.39—1.91 THz的频率范围内产生了比较理想的不同拓扑荷数的涡旋光束,且透过率高于20%,最高可达到24%,接近单层透射式超表面的理论极限值.     

介质填充型二次柱面等离激元透镜的亚波长聚焦

本文提出了一种亚波长聚焦的表面等离激元透镜,该透镜由二氧化硅填充金膜纳米狭缝阵列组成,金膜的出射表面为二次柱面.表面等离激元在狭缝入口处激发并沿狭缝传输,在狭缝出口转变为带有一定相位延迟的自由空间传播的光波.通过对透镜结构参数的控制,可以调节来自各狭缝的光波间的相对相位,使它们在设定的焦点处进行相长干涉,从而实现聚焦效果.本文用时域有限差分法数值计算了二次柱面等离激元透镜的聚焦特性.数值模拟结果表明,所设计的孔径为2μm的透镜,能够实现微米级焦距和焦深、且焦斑半高宽低至0.4倍波长的亚波长聚焦.该表面等离激元透镜结构简单紧凑、尺寸小,有利于光子器件的集成,在集成光学、光学微操纵、超分辩率成像、光存储、生化传感等相关领域有潜在的应用价值.     

折/衍混合远心消色差f-θ物镜系统设计

设计了一个折/衍混合远心消色差f-θ物镜系统.该系统由一片折射/衍射透镜和三片折射透镜组成.入瞳位于系统前焦面,整个系统满足像方远心.与美国专利（专利号：4,925,279）相比较,垂轴色差由2.40 mm降到0.23 mm,降低了一个数量级;对于0°、14°和20°视场,最大垂轴像差分别由260μm、1350μm、2090μm降低到5μm、250μm、318μm,最大场曲分别由8mm、10mm、13 mm降低到0.5 mm、1 mm、6 mm.该物镜不仅可用于彩色激光打印机、激光数码彩扩等多波长的扫描系统,也可用于能量要求较高的扫描系统.在高能量扫描系统中,通过引用折/衍混合远心消色差f-θ物镜,可用小体积工作于多纵模状态的激光器代替大体积单波长的激光器,使整个扫描系统小型化,并且提高了扫描准确度.     

楔形光纤与半导体多量子阱平面光波光路芯片的耦合分析

采用楔形光纤(WSF)实现了与半导体多量子阱(MQW)平面光波光路(PLC)芯片的高效耦合。在多量子阱-平面光波光路前置模斑转换器(SSC)和不加模斑转换器的情况下,用阶梯串联法(SCM)数值模拟并优化设计了楔形光纤-平面光波光路间最佳耦合参量:楔形光纤楔角45°、端面圆柱透镜曲率半径2.5μm、模斑转换器-多量子阱-平面光波光路出射椭圆光斑长半轴3.5μm、纵横比5、楔形光纤-平面光波光路间垂直方向和水平方向无偏移、纵向间距5.5μm。用反向推演法(IDM)实验分析了楔形光纤样品的出射光场,与阶梯串联法(SCM)计算结果相比长轴误差为3.125%,短轴误差为0.8%。建立楔形光纤-平面光波光路-单模光纤(SMF)的耦合实验系统,在1.55μm波长处以单模光纤作为出纤的相同条件下,发现楔形光纤激励入射平面光波光路比单模光纤和锥形透镜光纤(TLF)作为入纤的耦合效率分别提高了24.827 dB和16.22 dB,为多量子阱-平面光波光路芯片尾纤封装技术提供了实验原型。     

人眼安全激光测距与红外成像滤光膜的研制

从人眼安全的角度,设计并制备了对1 064 nm激光抑制并可用于1 550 nm激光测距以及3 m～5 m波段红外成像的滤光膜。选用ZnS、YbF3作为膜料组合、多光谱ZnS作为基底,利用薄膜设计软件对薄膜进行了优化设计。膜系设计通过合理的厚度控制和膜层安排,来增强薄膜的机械强度。滤光膜的制备采用了电子束沉积技术,通过离子辅助沉积和真空退火处理技术,进一步提高滤光膜的牢固性。光谱测试表明:在1 064 nm处的透射率仅为0.5%,1 550 nm处的透过率为99.3%,3 m～5 m波段的平均透过率大于96%,经分析YbF3的折射率在薄膜沉积过程中有所提高,但是对光谱曲线影响不大;可靠性测试表明:滤光膜能够耐受恶劣的环境考验,满足使用要求。     

Hyperboloid cylinder-plane lens for shaping laser diode array beam

A high coupling efficiency, simple structure refractive lens was designed; a hyperboloid cylinder-plane lens was proposed to reduce the divergence angle of the laser diode array beam in the fast axis direction. Based on the ray-tracing method, the shape of the input refractive surface of the designed lens is determined by numerical analysis, and designed as aspherical profile in one direction. When the beam from source point reaches the input surface of the lens, it is refracted and becomes a parallel output beam in the fast axis direction. The expressions for describing the irradiance behind the lens are also derived.     

Polarization-independent and high-diffraction-efficiency Fresnel lenses based on blue phase liquid crystals

A polarization-independent and high-diffraction-efficiency Fresnel lens is developed based on blue phase liquid crystals (BPLCs). The optically isotropic characteristic of BPLCs is used to produce a polarization-independent Fresnel lens. The small optical phase shift of BPLCs that is induced by the Kerr effect is sufficient for the BPLC Fresnel lens to have high theoretical and experimental diffraction efficiencies of 41% and ～34%, respectively. An electrically erasable memory effect in the focusing diffraction at an electric field E>4.44?V/μm is observed. The electro-optical properties of the BPLC Fresnel lens are analyzed and discussed.     

1 550 nm陷波滤光片制备工艺技术研究

陷波滤光片在抗激光损伤、激光防护和光电对抗领域应用广泛,如何提高其通带透过率,降低陷波点透过率是研究热点之一。基于Rugate理论设计了400 nm~2 500 nm波段1 550 nm陷波滤光片,分析了Rugate折射率函数各参数对光谱性能的影响。采用PECVD技术在K9玻璃基底上镀制了单面的1 550 nm陷波滤光片,通带的平均透过率达到88.54%,在1 550 nm处的透过率为3.62%。     

Kinoform单透镜的硬X射线聚焦性能

Kinoform单透镜可以高效聚焦硬X射线至纳米量级, 在X射线纳米显微学和纳米光谱学领域有着重要的应用前景. 基于衍射光学和傅里叶光学理论, 给出了X射线经由Kinoform单透镜聚焦的物理模型, 基于数值模拟, 研究了不同材料、光子能量、台阶数量和顶点曲率半径对Kinoform单透镜聚焦性能的影响. 结果表明, 孔径为1 mm的Kinoform单透镜对30 keV的X射线聚焦, 可以得到14 nm焦斑、62 μm焦深, 且可实现4个量级的光强增益和大于30%的光强透过率.     

Terahertz electrically controlled nematic liquid crystal lens

We report some preliminary results on the realization of terahertz (THz) nematic liquid crystal (LC) lens with electric tunable focal length. A LC cell with a single circular-hole electrode is driven by an AC voltage to yield the desired spatial distribution of the refractive index. The two-dimensional function of the phase delay introduced into THz wave depends on the AC voltage and the electrodes contacting the LC layer. This lens is operated at room temperature and its convergent optical characteristic is demonstrated at 118 μm. We realize the lens with a clear aperture of 1 mm. The lens matched with a bolometer array is capable of obtaining real-time THz images of a sample without any mechanical scanning.     

“神光-Ⅱ”装置第九路靶场终端光学组件的研制

 针对“神光-Ⅱ”装置第九路系统主激光瞄准精度小于等于30 μm和大焦斑辐照均匀性优于10％的要求，提出了靶场终端光学组件的设计结构。应用有限元法对组件关键机械元件和ICF靶室整体进行动静态分析，优化了设计参数。同时与聚焦透镜配合进行数值分析列阵透镜，确定了单元数、曲率和厚度以及单元长和宽等参数。经过实验测试，主激光瞄准精度达到28.9 μm，大焦斑辐照的形状为1 000 μm×500 μm，均匀性为12.0％。