用菲涅耳衍射理论分析双光栅成像效应

从理论上对双光栅成像效应现象进行研究,分别从菲涅耳衍射理论和平面透射光栅的菲涅耳衍射公式出发,分析了物光波经过两个平行放置的平面透射光栅组成的系统衍射后的复振幅分布。分析结果表明,在理想状态下,当两个光栅的放置位置满足一定条件时,在第二个光栅后面可以观察到一个清晰的原物体图像。理论分析解释了两个光栅在双光栅成像效应中的作用,得到了双光栅成像效应发生时,两个光栅的空间频率、衍射光级数以及光栅放置位置之间的关系式,这与实验所得结果相一致。     

透射衍射光栅内全反射级次

当前高功率激光装置系统中, 国内使用透射式衍射光栅进行光束采样, 国外甚至使用光栅聚焦并同时结合谐波分离和采样功能. 高功率激光辐照下, 除了0级透射打靶光以及目标取样光外, 其他级次衍射光的影响也不可忽视, 可能造成诸如鬼像聚焦破坏、时间脉宽测量不稳定、近远场测量噪声等问题. 尤其是透射衍射光栅内部全反射级次会导致光栅出射一系列规律的衍射花样, 造成上述干扰和危害. 首先理论上针对透射式光栅(包括取样光栅和聚焦光栅)进行了相应的计算和分析, 然后从实验上观察并测量了取样光栅内部全反射级次的现象, 并且结合镀减反膜前后的衍射现象进行了讨论, 最后分析并给出了如何消除或规避全反射级次和其他冗余级次影响的方法.     

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。     

体布拉格光栅滤波片及其光谱成像应用

利用厚体布拉格光栅的波长选择特性对目标光场进行窄带滤波,是实现高光谱成像的一种新途径。基于严格耦合波理论,设计了体布拉格光栅结构,探索了厚体布拉格光栅的制作工艺,搭建系统光路验证了体布拉格光栅的光谱成像能力。研究结果表明:要获得较窄滤波谱宽,需要提高体布拉格光栅的厚度周期比,并严格控制入射光束发散角;刻写光束质量、震动和偏振会极大地影响制作的光栅条纹面质量,需要从优化写入光的光束均匀性、采用防震措施以及调整两刻写光束偏振一致性等方面优化刻写过程,以提高光栅的衍射效率和质量;验证了体布拉格光栅滤波片进行空间二维面阵成像的能力,宽谱光源透射条件下,通过对入射光束进行准直,滤波谱宽5 nm左右,空间分辨率约4 lines/mm;漫反射条件下,使用体布拉格光栅对进行色散补偿,能够实现较为清晰的成像,空间分辨率约4.9 lines/mm。     

相位光栅分离双波长宽角度光线的理论分析

使用衍射光栅的分色分光方式一般以平行光入射情况为讨论基础,对于非平行光入射的情况讨论较少.本文基于菲涅尔衍射理论和角谱理论,将球面波与平面波的衍射波场联系起来,从而在传播函数中引入角度参量,结合分数泰伯效应的理论基础,推导出双波长宽角度入射光线经相位光栅衍射后的波场分布函数,并对推导出的函数进行数值模拟,得到像面不同位置衍射波场分布.与平行光入射时的标准波场分布相比较,得到宽角度入射时的衍射波场的横向展宽量和偏移量.通过调节光栅台阶的宽度,改变衍射场的展宽和偏移,使各个单一波长的衍射波场宽度小于光栅周期的一半,从而减少双波长光衍射波场的混叠.同时本文给出波场宽度与光栅台阶宽度的变化关系,选取光栅面上多个位置作为台阶宽度的计算点,并对整个光栅的台阶宽度进行曲线拟合,得到可以使双波长宽角度入射光实现良好空间分离的光栅参量.该结果可用于各类宽角度入射光线的光谱分离场合,如双波长成像、液晶显示和液晶投影等.     

透射光栅的实验标定和衍射效率的理论模拟

透射光栅广泛应用于软X射线能谱测量.为了获得用于惯性约束聚变研究的透射光栅的各级衍射效率及其他参数,在北京同步辐射源上200—1600 eV能量范围内对其进行了标定,获得了透射光栅衍射效率的实验结果.扩展了透射光栅衍射效率的计算方法,提出了7边准梯形截面衍射效率计算模型.分析拟合了实验数据,理论结果与实验结果很好符合.得到了7边准梯形的透射光栅栅线截面结构. 关键词： 透射光栅 衍射效率 实验标定 光栅模型     

透射型光折变体全息光栅对超短脉冲激光光束衍射的特性

在Kogelnik耦合波理论的基础上,考虑光栅记录介质的色散效应的影响,研究了光折变体全息光栅对不同偏振状态的超短脉冲激光光束衍射的性质,讨论了高斯型入射脉冲激光光束的谱宽与光栅的有效衍射谱宽之比不同时,衍射和透射光束的光谱宽度、时间宽度、波形和衍射效率的变化。结果表明,光栅的有效衍射谱宽受光栅参量及入射条件的影响,对衍射性质的影响很大,且在考虑光栅记录介质的色散效应时减小。当入射脉冲的偏振方向垂直于入射面时,光栅的有效衍射谱宽大于偏振方向平行于入射面的情形,衍射效率在入射脉冲宽度较大时小于偏振方向平行于入射面的情形;谱宽比较大时,衍射光束的时间分布曲线产生展宽和变形,且比偏振方向平行于入射面的情形展宽和变形得更加明显。     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

超声光栅与平面透射光栅衍射图样的比较研究

分析了超声光栅的形成机理,给出了超声光栅衍射图样光强分布的解析表示,通过理论分析和数值模拟对超声光栅与平面透射光栅的衍射图样进行了比较研究.结果表明其衍射主极大满足类似的光栅方程,但衍射条纹的强度分布不同;都能产生缺级现象,但规律不同;超声光栅是一种动态光栅,各级衍射谱线的频率不同.     

Ⅰ型全息凹面光栅制作误差对光谱像的影响分析

通过对Ⅰ型全息凹面光栅制作参量误差对光谱像的影响进行数值计算发现:1)两记录臂长的相对误差而不是绝对误差决定光谱像的展宽程度,即使绝对误差较大,只要两记录臂长的误差值相同,像宽也没有明显改变;2)由于Ⅰ型光栅的记录臂一般较长,记录角度误差对像宽的影响不大,但会影响光栅的刻线密度,导致光谱成像位置的偏移;3)曲率半径误差...     

The spectral combination characteristic of grating and the bi-grating diffraction imaging effect

This paper reports on a new property of grating, namely spectral combination, and on bi-grating diffraction imaging that is based on spectral combination. The spectral combination characteristic of a grating is the capability of combining multiple light beams of different wavelengths incident from specific angles into a single beam. The bi-grating diffraction imaging is the formation of the image of an object with two gratings: the first grating disperses the multi-color light beams from the object and the second combines the dispersed light beams to form the image. We gave the conditions necessary for obtaining the spectral combination. We also presented the equations that relate the two gratings’ spatial frequencies, diffraction orders and positions necessary for obtaining the bi-grating diffraction imaging.     

辅助紫光提高菌紫质全息衍射效率的实验和理论研究

由于菌紫质样品的饱和吸收特性，在全息记录中，当记录光强大于样品的饱和光强时，全息光栅透过率随记录光相位差的分布远离余弦型，因此衍射效率的稳定值很低.菌紫质样品在红光和紫光共同作用下存在着双光束互补抑制效应，紫光可以抑制红光的透过率，提高红光的饱和光强，使记录区域由非线性区移至线性区，从而使全息光栅透过率随记录光相位差的分布变为余弦型，可以有效地提高全息衍射效率.实验证明，辅助紫光大大提高了菌紫质样品全息衍射效率的稳定值.根据此原理，建立了三光束全息光存储系统，在红光记录全息图的同时加入辅助紫光，可以使全息图衍射效率及衍射像的像质得到提高. 关键词： 菌紫质 全息存储 衍射效率 饱和吸收     

Unidirectional transmission realized by two nonparallel gratings made of isotropic media

We realize a unidirectional transmission by cascading two nonparallel gratings (NPGs) made of isotropic, lossless, and linear media. For a pair of orthogonal linear polarizations, one of the gratings is designed as a polarizer, which is a reflector for one polarization and a transmitter for the other; another grating is designed as a polarization converter, which converts most of one polarized incident wave into another polarized transmitted wave. It is demonstrated by numerical calculation that more than 85% of the incident light energy can be transmitted with less than 1% transmission in the opposite direction for linearly polarized light at normal incidence, and the relative bandwidth of the unidirectional transmission is nearly 9%. The maximum transmission contrast ratio between the two directions is 62 dB. Unlike one-way diffraction grating, the transmitted light of the NPGs is collinear with the incident light, but their polarizations are orthogonal.     

Oval-Shaped Spectrogram Formed by Randomly Oriented Refractive Index Gratings in Photorefractive Crystals

Ｏｖａｌ┐ＳｈａｐｅｄＳｐｅｃｔｒｏｇｒａｍＦｏｒｍｅｄｂｙＲａｎｄｏｍｌｙＯｒｉｅｎｔｅｄＲｅｆｒａｃｔｉｖｅＩｎｄｅｘＧｒａｔｉｎｇｓｉｎＰｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅＣｒｙｓｔａｌｓＳＨＥＷｅｉｌｏｎｇＹＵＺｈｅｎｘｉｎ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａ...     

Moiré displacement measurement technique for a linear encoder

The light intensity diffracted from superimposed dual transmission gratings is sensitive to their relative lateral displacement but is also affected by changes in the air gap between them. Averaging the diffracted light intensities obtained in the gap range of a Fourier image distance, the resultant intensity was almost independent of the gap between the two gratings and had a period of half the pitch of the grating for the lateral displacement. This method can be used for a linear encoder in precision machining.     

光折变多重体光栅的制作及应用

根据光折变多重体光栅的滤波原理,在10×10×10 mm3的LiNbO3∶Fe晶体中利用循环曝光法写入了光栅波矢夹角为0.037°且衍射效率均衡的8重体光栅,实验上证实了光写入多重光折变体光栅应用于波分复用系统的可行性.利用LiNbO3∶Fe晶体制作了一个原理性双通道波分复用器,成功地实现了对相同方向入射的波长分别为635 nm和650 nm的两束光的有效分离,并根据布喇格条件,将光折变体光栅应用于光波波长的测量,测量精度可达10 pm量级.     

Zemax软件在取样光栅对设计中的应用

 光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件。以2块取样光栅代替单块光栅作为初始光学结构,运用Zemax光学设计软件采用分步优化的方法设计了具有消像差功能的光栅对结构,此方法比采用Matlab语言编程计算的方法消像差更快捷、更灵活,同时可以验证程序计算结果的正确性。设计结果显示：再现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上点列图中的均方根半径仅为0.506μm,单块取样光栅的均方根半径则为7.284μm,说明2块光栅能够做到像差互相矫正,其像质明显好于单块取样光栅。另外,设计出的双光栅光学系统,可进行远场光斑质量检测,为激光束性能的在线诊断提供了行之有效的技术支持。     

1维介质光栅近场及其衍射的FDTD分析

 应用FDTD方法计算了单色平面波斜入射时1维介质光栅的近场，进而求出介质光栅的衍射效率。借助于周期边界条件，整个计算区域为周期结构的一个单元。考虑入射波在两种介质界面上会产生反射和透射，故在总场边界上引入入射波、反射波和透射波。给出了光栅单元截面为矩形和梯形的算例。该方法可用于斜入射情形下具有复杂结构和任意单元截面的介质栅近场及其衍射特性分析。     

实验研究探测器大小与散焦长度对无透镜鬼衍射的影响

无透镜鬼衍射是一种特殊的非局域关联成像技术,通过对包含物体信息的测试光路和不含物体信息的参考光路的光场强度涨落关联进行测量,在参考光路上可得到物体的衍射图样。利用赝热光源实验研究了探测器尺寸大小和光路散焦长度对无透镜鬼衍射质量的影响。实验以四缝物体为例,定量研究了探测器大小和散焦是如何改变无透镜鬼衍射的成像结果,并和理论模拟进行了比较,获得了比较一致的结果。利用图像相关度定量分析了实验结果与理想无透镜鬼衍射图像的差别,发现这两者都会使无透镜鬼衍射的质量变差。