DMD衍射效应及其产生的杂散光分析

针对数字微镜器件（digital micromirror device,DMD）衍射效应对系统成像影响严重的问题,对DMD元件产生的杂散光进行研究。基于严格耦合波理论构建了DMD衍射模型,分析不同波段和入射角度对其衍射效率的影响,分析结果表明,在长波红外波段DMD衍射效应较明显,且随着入射角度增大,DMD衍射效应更为显著。分析投影系统中DMD的衍射杂光产生途径,通过改变系统的F数来控制入射角度,计算出DMD衍射效应产生的杂光能量占比,给出不同波长下,不同F数的光学系统杂光随衍射效应的变化曲线,即F数越大,DMD衍射效应对系统杂光影响越小。     

90°顶角中阶梯光栅的研制

结合单晶硅各向异性腐蚀和倾斜光刻技术,在14°斜切(110)单晶硅片上成功制作出90°顶角的中阶梯光栅。在1500~1600nm波段对其进行了闪耀级次衍射效率测量,测量结果的趋势与C方法计算结果基本吻合,其中在1500~1550nm波段光栅表现出良好的闪耀特性,效率为理论值的52%~75%,峰值约为58%。讨论并计算了制作工艺中的槽深误差对光栅闪耀级次衍射效率的影响。结果表明,在1500~1550nm波段,考虑槽深误差计算所得的理论闪耀级次衍射效率约为完美槽形计算效率的77%~85%。     

二元光学液晶闪耀光栅的特性分析

在二元光学理论的基础上,结合波动光学理论和液晶指向矢的计算提出一种新的二元光学液晶闪耀光栅设计.对液晶光栅电极施加阶梯分布的电压使之形成相位阶梯形分布,推导出液晶闪耀光栅的衍射效率.结果表明,通过改变周期单元光栅电极数日而改变光栅常数,可以改变光衍射角度,一级衍射角度调节范围0°～10°;调节电极电压可以使特定级次衍射光效率达到90%以上,使该级次得到闪耀.     

双波段多层衍射光学元件的基底材料选择方法研究及其在变焦系统中的应用

基于双波段系统的多层衍射光学元件(MLDOE)的带宽积分衍射效率(PIDE),建立其与入射角度和基底材料关系的数学模型,提出一种双波段斜入射多层衍射光学元件基底材料的选择方法,并通过该方法选择出双波段多层衍射光学元件基底材料的最佳组合方案。方法的提出以及数学模型的建立,解决了光线斜入射时基底材料选择不当导致多层衍射元件衍射效率和带宽积分衍射效率下降的问题,为多层衍射元件在多波段和宽波段系统中的应用提供理论指导。依据该方法,设计了适用于中波红外3.7～4.8μm(MWIR)和长波红外7.7～9.5μm(LWIR)双波段的多层衍射光学元件,并利用该衍射元件设计了10倍中长波折衍混合双波段红外变焦系统。结果表明,该系统在中波红外奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)均大于0.52,在长波红外奈奎斯特频率处的MTF均大于0.35。     

台阶光栅衍射的傅里叶分析

提出了一种台阶光栅模型 ,并应用傅里叶光学方法推导出了反射式衍射光强的表达式。分析计算了衍射光强随台阶数、入射波长、衍射角和轮廓角 (闪耀角 )的变化关系。结果表明 ,台阶光栅能起到闪耀作用 ,台阶对衍射强度分布有影响 ,但不改变衍射光极大值的位置 ,随台阶数的增加 ,能量逐渐向闪耀方向集中。当台阶数等于 8时 ,其衍射效率可接近三角形闪耀光栅的衍射。台阶光栅衍射的傅里叶分析对光栅制作有一定的指导意义     

DMD光栅的衍射特性及其在可调谐激光中的应用

相比较于液晶空间光调制器,数字微镜晶片(DMD)具有开关速度快、显示精度高、偏振不相关、衍射效率高和宽带调制等优势。研究利用DMD的衍射效应作为波长选择器,将其应用于可调谐光纤激光器中,理论推导这种二维DMD光栅的衍射效率与入射光角度,像素间距等物理量之间的定量关系,重点讨论了两种不同像素间距的0.7″和0.55″DMD在单像素因子和多像素干涉共同作用下的衍射级数和强度分布。研究结果表明:0.7″DMD在光强不显著为零且满足实验约束条件下,允许出现4个干涉极大值,但由于极大值位置均远离闪耀条件,因此光强相对较弱。0.55″DMD仅出现1个干涉极大值,且接近闪耀条件,因此光强和效率均明显高于0.7″DMD的情况。由此可见,在可调谐光纤激光器中,利用0.55″DMD光栅作为波长选择器更有利于减小衍射损耗,提高系统稳定性。     

含有双层衍射光学元件的中波/长波消热差光学系统的设计（英文）

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7～4.8)μm和(7.7～9.5)μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm,F#为2。采用像元数为320×256、间距为30μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54;最大RMS半径小于11.702μm;波前像差小于0.191 7λ;最大离焦量小于焦深;在-55℃～71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°～5.19°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单,像质优良,可以广泛应用于军事探测系统中。     

严格耦合波法计算闪耀光栅衍射效率

针对一般标量近似算法精度不高的问题,提出采用S矩阵的严格耦合波的方法计算光栅衍射效率.通过建立完整的闪耀光栅理论模型,对各分层电磁场进行傅里叶级数展开,采用散射矩阵方法求解各谐波系数,完成衍射效率计算.该方法已应用到红外光栅TE和TM 2种模式衍射效率的计算.分析了散射矩阵解决数值运算不稳定的原因,通过与标量近似计算方法进行比较,说明红外光栅衍射偏振特性.     

适用于宽带光的闪耀光栅衍射强度分布规律研究

变栅距光栅线位移传感器是一种新型波长编码位移传感器,为进一步提高传感器波长解调的精度和减小光源的体积,提出适用于全工作波段的恒定闪耀角变栅距光栅结构。首先采用经典光学的方法推导出变栅距闪耀光栅衍射强度分布公式,从理论上证明该光栅结构可实现在全工作波段提高变栅距光栅线位移传感器衍射光强。此外,制作出变栅距闪耀光栅样件证实了工艺可行性。在相同的条件下,对一组参数相同的闪耀光栅和矩形槽形光栅进行了衍射光强比对实验,得到变栅距闪耀光栅的衍射光强约为矩形变栅距光栅的衍射光强的1.7倍,并与按此衍射光强分布公式计算的结果一致。     

基于表面等离激元的长波QWIP光栅优化

为了提高长波量子阱红外探测器的灵敏度及探测率,采用表面等离激元效应来提高量子阱红外探测器中二维光栅的耦合效率。利用三维时域有限差分算法,分析表面等离激元作用下,长波量子阱红外探测器中二维金属薄膜光栅参数对入射光的调制作用。计算结果表明,对于8 m的入射光,当光栅周期P=2.8 m,孔直径D=1.4 m,光栅层厚度L=0.04 m时,X Y平面内Z方向电场值最大,光栅的耦合效率最高。     

亚波长介质光栅的闪耀特性分析

采用严格耦合波理论与矩阵LU分解法,求解了亚波长矩形介质光栅的衍射场,给出了TE和TM偏振波的耦合波方程组及其矩阵形式.通过数值计算分析了TE和TM偏振波的入射角、刻槽深度、入射波长等参量对＋1级衍射波衍射效率的影响.结果表明,当Λ=0.5λ0,θ=55°,d=0.38λ0,λ=10.6 μm时可以实现对TE偏振波＋1级的闪耀,衍射效率达到近90%,同时具有较宽广的角度适应范围.     

布儒斯特角附近的透射光栅传输特性

 减小光栅表面的反射率以得到更高的衍射效率是目前光栅设计与制造中需要解决的重要问题之一。提出利用偏振光沿布儒斯特角入射时具有的特性来实现降低光栅表面反射率的方案，介绍了这种方案的物理模型，并利用严格耦合波分析法进行了模拟计算。计算结果显示，对入射光为TM偏振，波长0.35 μm，当光栅周期较长为2.80 μm时,以布儒斯特角入射的光波，它的表面反射被大大抑制；当光栅周期较短为0.21 μm时也有类似的结论，并且透射光的一级衍射效率极大值出现在刻槽深度为3.50 μm处附近，衍射效率大于95%。     

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.     

数字微镜器件的相位调制性质

为了提高数字微镜器件(DMD)的空间光调制性能,发挥其在光信息处理中的作用,研究了的数字微镜器件相位调制性质。通过分析数字微镜器件的微观物理结构,考察了数字微镜器件的光栅特性;从计算的角度研究了其对相干光波的相位调制,并给出数学描述和实验结果。重点研究了数字微镜器件的衍射光栅特性,分析了其工作原理及微镜偏转导致的镜片空间相对位置的改变,利用闪耀光栅理论计算了偏转微镜间的相位差,得出了数字微镜器件光栅的闪耀规律,实现了闪耀状态。提出了利用不同方向的微镜列状态研究数字微镜器件相位调制性质的方法,推导和模拟了关于数字微镜器件的微结构和工作原理,在数字微镜器件光调制研究方面提供了一些结果,对数字微镜器件在信息光学中的更广泛应用有一定意义。     

线偏光闪耀反射光栅衍射特性研究

通过数值方法对线偏光在Littrow装置中的理想导体闪耀光栅的偏振特性进行研究.用时域有限差分程序计算出任意偏振方向线偏光经过闪耀光栅衍射后的电磁场分布,提取衍射波的S偏振和P偏振分量,讨论了与光栅闪耀角和入射光波偏振角的关系.分析了在1530～1570nm光谱范围内,入射光波为线偏振波和园偏振波时,衍射光波的偏振色散特性与光栅闪耀角的关系,并给出了存在偏振色散的光栅闪耀角范围.这些分析和结果对工程设计具有一定的指导意义.     

光导板中新型衍射元件的数值模拟研究

基于严格耦合波理论,数值计算了一种在闪耀斜面镀膜的亚波长光栅结构,并首次提出将该光栅应用于光导板的设计中,使光导板衍射的RGB光束无需经过滤色片,直接透射相应的像素点。在数值计算中,设定入射光为TE偏振态、入射角为60°、波长为RGB三基色。光栅以有机玻璃为基底,二氧化钛为膜层,并随波长改变周期、闪耀角等参数。计算结果表明,该光栅的一级衍射光可垂直于表面出射,一级衍射效率随膜厚渐变,最高达37%,其余非零级次的衍射效率低于2%。将该特性的光栅应用于新型光导板的数值建模中,并对光栅的制作进行了工艺容差分析,计算得归一化能量的标准差小于1%,总衍射效率接近80%。     

薄膜光学锥形光栅的制备与光学特性分析

为了在光学薄膜中引入连续轮廓的微结构,综合利用薄膜的干涉效应与微结构的折反射、衍射效应,提出一种薄膜光学微结构的制备工艺。基于时域有限差分方法设计了具有可见光波段减反射特性的薄膜光学锥形光栅;采用单点金刚石车削技术,结合纳米压印与电感耦合等离子体刻蚀技术,在SiN_x薄膜中制备出高1.6 μm,周期4.1 μm的锥形光栅;在可见光波段,SiN_x薄膜光学锥形光栅的平均反射率为5.7%,反射率的实验检测结果与仿真计算结果达到很高的一致性;当入射光角度在30°以内,薄膜光学锥形光栅的减反特性表现出对光波入射角度的不敏感性。该制备工艺突破了单点金刚石车削技术的材料局限,将连续轮廓的微结构的直接形成工艺拓展至介质薄膜当中,实现了宽光谱、宽入射角度的减反射。     

AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,由于声光晶体是其核心分光器件,它的性能将影响目标信息的获取能力。因此, 研究提高声光晶体衍射效率的方法是AOTF成像光谱仪研制的重点和关键。首先介绍了AOTF成像光谱仪的工作原理,基于耦合波理论推导了声光晶体衍射效率方程,然后对AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率的影响因素进行数值仿真分析,最后,用Tracepro软件对不同入射光进行了仿真计算。分析结果表明,当AOTF成像光谱仪工作波长范围在0.4 μm~0.9 μm时,为使衍射效率能达到最大值,各个影响因素的最优值是:换能器长度d为2.5 mm,光栅倾斜角φ选择在80°,入射光选择o光。