空-频域中自成像分析和解释

基于魏格纳变换和魏格纳分布函数,分析讨论一维物体在空域-频域空间的自成像及其形成过程。从成像过程中各衍射频谱分量的光程差出发,给出Talbot效应和Montgomery效应的统一解释。对于周期物的Talbot效应,得到了用杨氏双缝干涉解释自成像现象的理论依据。周期物的自成像是物平面上间距为2倍周期,光程差为波长的整数平方倍的各衍射频谱分量同相相干迭加的结果。Montgomery效应是物平面上间距为抛物线关系,光程差为波长整数倍的各衍射频谱分量同相相干迭加的结果。     

利用Gyrator正则变换实现环形激光阵列的Talbot效应

本文对环形激光阵列的Talbot效应进行了研究,利用Gyrator正则变换推导了极坐标下环形激光阵列的Talbot效应和自成像条件,并进一步分析了其在分数Talbot距离处的成像规律.通过FDTD Solutions软件对环形激光阵列在分数Talbot距离处的空间分布、相位分布进行模拟,得到与理论计算相一致的结果.通过与一维激光阵列分数Talbot效应的空间分布、相位分布情况进行对比分析,环形激光阵列可有效消除一维激光阵列的Talbot边缘效应,获得等光强分布的Talbot自再现像,扩展了Talbot效应在环形激光相干阵列锁相的应用.     

利用保角变换实现环形光栅的Talbot效应

Talbot效应是一种近场自成像效应,通常只有周期光栅可以产生Talbot效应,而环形光栅无法产生.本文通过引入保角变换,发现可以在环形光栅外部设计适当的折射率渐变层介质,使得其中也能够产生严格的Talbot效应,并计算了对应的自成像半径表达式.本文利用FDTD软件分别将一个环形光栅放置在真空中以及人工设计的折射率渐变层中进行了模拟,并对二者的结果进行了比较分析,发现这种折射率渐变层介质确实对点光源入射的环形光栅的自成像情况有着很好的改善.希望这一工作能够推广Talbot效应的应用范围.     

基于周期极化掺镁铌酸锂晶体的六角可调相位阵列光栅

研究了基于周期极化掺镁铌酸锂(PPMg…LN)晶体的二维六角可调相位光栅及其Talbot效应光衍射成像。理论模拟不同相位差及分数Talbot距离条件下的近场光衍射强度分布,计算取样区内衍射强度随相位差和分数Talbot距离的变化,给出相位差恒定及变化情况下取样区强度最大值的位置。在理论研究基础上,设计与制备PPMg…LN六角可调相位阵列光栅,并进行了Talbot衍射成像的实验研究,实验结果与理论研究吻合较好。     

部分相干光栅衍射效应和干涉术

本文提出一种新的部分相干照明的光栅衍射干涉仪.先分析了光栅的介于Talbot和Lan效应之间的部分相干衍射效应.部分相干干涉图的特点是条纹由频率成倍的两种光栅状载波所表征.调整光源狭缝,系统在两相干性极端分别转成Talbot和Lau干涉仪.理论分析采用了模糊函数方法.最后给出了实验.     

掩模衍射频谱轴向分量对光刻成像性能的影响EI北大核心CSCD

传统三维光刻矢量成像模型中将投影系统物方电磁场表示为二维形式,实现方式分为两种:采用局部坐标和忽略掩模衍射频谱的轴向分量。后者在浸没式光刻系统仿真中的适用性需要进一步分析。简述了忽略掩模频谱轴向分量的矢量成像模型和引入该分量的全光路三维光刻矢量成像模型,利用这两种模型和商业仿真软件,研究了掩模衍射频谱轴向分量对光刻胶中成像特征尺寸的影响并对结果进行了讨论。研究结果表明,相干照明和部分相干照明条件下,掩模衍射频谱轴向分量对光刻成像的影响随着数值孔径的变化趋势存在较大差异。这说明相干照明下的分析结论并不适用于部分相干照明条件,且只有全光路三维矢量成像模型才能满足浸没式高分辨光刻仿真的要求。     

基于波长扫描塔尔博特效应的阶高测量理论研究

近年来,多维阶高测量问题倍受关注,两波长或波长扫描方式的塔尔博特效应被应用于多维阶高测量.研究表明,基于塔尔博特(Talbot)效应的阶高测量方法具有仪器结构紧凑、无需机械扫描、稳定性高和测量范围大等优点.因没有光栅或检测器件的任何机械移动,可避免由此导致的相位问题及测量误差.取代相位信息,该方法采用衍射条纹的最大衬比度来判定塔尔博特像,测试中均采用占空比为1:2的龙基(Ronchi)光栅作为周期结构衍射物,利用不同波长塔尔博特像的像距来确定物体阶高.因为测量的是条纹衬比度而非绝对强度,所以阶高测量精度依赖于条纹衬比度,最大衬比度的获取与判定是非常重要的.在分析对比的基础上指出,采用非龙基型光栅,如正弦振幅光栅或相位光栅,能使成像条纹分布更合理,有效地提高成像条纹的衬比度.研究还表明,所采用周期结构衍射物的空间周期越小,分辨率就越高,从而给出了分辨率同衍射物空间周期的定量关系.     

啁啾超短脉冲光波照射下光栅Talbot效应的研究

应用傅里叶频谱分析法，给出了光栅在啁啾超短脉冲光波照射下菲涅耳衍射方程并分析了其Talbot效应. 数值计算表明，在Talbot距离处的衍射光强不仅与照射的超短脉冲光波的宽度有关，而且与脉冲光波的啁啾有关. 根据光栅在Talbot距离处衍射光强的变化，给出了一种检验超短脉冲光波是否含有啁啾的简单方法. 关键词： 光栅 菲涅耳衍射 Talbot效应 啁啾超短脉冲激光     

Talbot效应的简单解释

从双缝干涉的简单理论出发,将光栅分解为许多组双缝,利用人们熟知的干涉条纹间距公式导出Talbot成像位置,结论与Talbot效应公式一致。并由实验证实,在(2 m 1)d2/λ(m为正整数)的位置得到的为横向平移d/2的周期像,并非原周期性物的负反差像。     

畴腐蚀掺镁铌酸锂可调阵列光分束器的研究

研究了不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角可调阵列光分束器的分数Talbot效应.对不同Talbot分数β和不同畴腐蚀深度的阵列光分束器Talbot衍射像进行了数值模拟理论研究.模拟结果表明,Talbot分数β可以改变Talbot衍射像的周期及结构分布,而畴腐蚀深度可有效调制衍射像的光强分布.在理论研究的基础上,设计并制备了具有不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角阵列光分束器,对其在不同Talbot分数β条件下的分数Talbot效应进行了通光实验研究,实现了畴腐蚀阵列光分束器对近场Talbot衍射光强分布的调制,实验结果与理论研究结果一致.     

Geometrical aberrations of self-imaged line gratings

We analyze the properties of a self-imaging system from the point of view of aberration theory. We examine analytically and numerically the geometrical aberrations that are observed in the self-image of a parallel-line grating. We first derive the raytracing equations for determining the optical path of a self-imaging ray with the order of diffraction l. We then obtain the third- and fifth-order contributions to ray aberrations which arise from the difference between the optical paths of a self-imaging ray and of an actual ray. We show that the overall ray aberrations are entirely undercorrected. The ray aberrations approach zero as the ratio of the grating constant to the wavelength of light becomes large enough. In a case of unit magnification, no curvatures are observed in the self-imaged lines. If the magnification is bigger than unity, the light rays passing through the point in a positive or negative domain of the aperture variable contribute to the formation of the curved images. The image evaluation technique discussed here can be useful in the various applications related to the self-image formation of a parallel-line grating and it can also provide insight into the self-imaging of other periodic objects.     

部分相干同步辐射照射下光栅分数塔尔博特效应

基于高斯谢尔光束的相干模式分解理论和波动光学,建立了部分相干同步辐射硬X射线光束通过光学器件的传播模型。模拟了微聚焦X射线光束照射下光栅的分数塔尔博特效应,得到了聚焦光束的光强分布和相干特性变化,并分析了散焦光束入射下的光栅自成像。然后通过模拟准直光束入射下的光栅塔尔博特效应,得到了不同传播距离处自成像条纹的变化情况,分析了影响光栅自成像条纹形状的因素。通过光栅衍射条纹测量同步辐射相干度,发现对矩形相位光栅来说,应该对衍射图样进行傅里叶分解,求出各级傅里叶系数随传播距离的变化曲线,从而得到入射光束相干特性。     

空间频率对透射式全息图衍射率的影响

为研究干涉条纹空间频率与透射式全息图衍射率的关系,在相同条件下,拍摄以平面波、发散的和会聚的球面波分别作参考光、物光的透射式全息图,通过实验测量其衍射效率,同时计算了干涉条纹的空间频率。然后以会聚的球面波为物光,平面波为参考光,分别改变入射角和球面波会聚点到记录面的距离制作另外4块透射式全息图,并计算了它们的空间频率,测量了其衍射效率。结果表明：在相同条件下制作透射式全息图时,衍射效率只由空间频率决定,与使用何种参考光和物光无关,空间频率仅随参考光和物光的夹角变化而变化。     

弹光调制干涉图最大光程差的稳定性及检测技术研究

为了提高弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTs)中复原光谱的准确度和稳定性,有必要对弹光调制干涉图的最大光程差的稳定性和检测技术进行研究。弹光调制干涉图的最大光程差是一个不确定量,与弹光调制器的谐振状态、频率温漂特性以及驱动电压等因素有关。因此,本课题在研究弹光调制干涉仪工作机理基础上,建立弹光调制器的频率温漂模型和光程差变化关系;提出以驱动信号为基准,对激光干涉信号过零计数的方式实现干涉图的最大光差检测,且将双通道的高速比较器与FPGA相结合,实现正弦波到方波转换、快速的过零计数和误差补偿。经试验验证,采用670.8 nm的激光为参考光源,通过过零计数的方式,能实现最大光程差77.471 μm的检测,其测量误差小于0.167 nm,复原的红外黑体光谱的最大峰值波长偏差小于2 nm。     

High-order Talbot fringes for atomic matter waves

We observe the interference of de Broglie waves in the diffraction near field of a microfabricated grating. The reduction of the grating period by self-imaging of second to seventh order is spatially resolved. We investigate the dependence of this effect on the de Broglie wavelength by a time-to-flight technique.     

平面波导衍射特性分析

从电磁波的瑞利－索末菲标量衍射积分公式出发，利用罗兰圆结构特殊的光学性能，在平面坐标系中简化标量衍射积分公式，推导出横截面折射率阶跃分布的平面波导端口衍射场分布的计算公式，并导出常用的对称结构介质平面波导和金属平面波导端口衍射场的空间频谱，阐明平面波导端口衍射场就是驻波衍射场的本质。     

Ray aberrations of two-dimensional oblique lattices on the self-image plane

We extend the geometrical theory of aberration for a self-imaging system to the case of two-dimensional oblique lattices. In our approach, the fundamental translation vectors of the lattice are not restricted in both length and orientation. Evaluating the disturbance of light through the oblique lattice under coherent illumination, we find the conditions of constraint which limit the self-imaging of the oblique lattice. Various types of oblique lattices are shown to obey the self-imaging conditions. We derive the equations to trace the optical paths of self-imaging rays and then analyze the ray aberrations which arise from the difference between the optical paths of a self-imaging ray and of the corresponding actual ray. The ray aberrations are shown to disappear when the periods of the lattice are large compared with the wavelength of light. We find that the ray aberrations carried by self-imaged oblique lattices are totally undercorrected and the aberrated image patches are displaced along the direction tangent vector of a chief ray.     

大光程差PEM-FTS的快速光谱重建

弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)的调制光程差是高速、非线性变化,每秒可产生上万张干涉图。为了实现高速等时间采样干涉信号的快速光谱反演,对大光程差弹光调制干涉信号的特性、加速非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)进行研究。加速非均匀快速傅里叶变换算法是基于卷积核函数插值的快速傅里叶变换算法,此算法的核函数类型、参数τ、延伸影响因子q、过采样率μ等参数的选择对算法准确度以及复杂度有影响。在分析这些参数对算法影响的基础上,在μ=2,q=10,τ=1×10-6时,将加速的NUFFT算法应用于弹光调制傅里叶变换光谱仪中,重建了632.8 nm的激光和氙灯光谱,复原的632.8 nm激光光谱的频率偏差小于0.013 52,插值时间小于0.267 s。实验表明加速的NUFFT算法有较快的运行速度和小的频率偏差,能快速准确地重建大光程差PEM-FTS的光谱。