紫外光固化丙烯酸酯/二氧化硅杂化光学增透膜的研制

 采用旋转镀膜工艺和紫外光固化技术在石英基片上制备出了快速固化的丙烯酸酯/二氧化硅有机/无机杂化单层宽带光学增透膜，考察了丙烯酸酯与正硅酸乙酯的物质的量之比对薄膜增透性能等的影响。实验结果表明，该比值为2.0时，增透膜的最大透射率为99.0%，采用旋转镀膜工艺制备的有机/无机杂化单层增透膜在425～1060nm的较宽波段范围内透射率均达98%以上。     

镀有增透膜的多层衍射光学元件的优化设计方法

基于等效介质理论和多层衍射元件的本体相位延迟,考虑增透膜相位调制的影响,对多层衍射光学元件的表面微结构参数进行优化;采用优化设计方法分析应用于可见光波段镀有增透膜的多层衍射光学元件。结果表明:优化设计方法在保证增透膜物理作用的前提下,实现了在设计波长处的衍射效率为100%以及在宽波段内具有高多色光积分衍射效率;该方法弥补了传统多层衍射光学元件的设计缺陷,完善了多层衍射光学元件的设计理论,为混合成像系统的设计提供了参考。     

斜入射时一定温度范围内微结构高度误差对衍射效率的影响

工作环境温度的改变会降低衍射光学元件的衍射效率,影响混合光学系统的成像质量。基于斜入射时衍射效率的表达式,在双层衍射光学元件的设计中考虑温度变化,提出了工作在一定温度范围内和入射角度范围内的双层衍射光学元件微结构高度误差与衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学模型。以工作在可见光波段的双层衍射光学元件为例进行分析。结果表明,当环境温度确定后,随入射角度范围的增大,最高带宽积分平均衍射效率对应的最优相对微结构高度误差逐渐减小。当双层衍射光学元件工作在0°～15°的入射角度范围内、环境温度范围为-40～80℃时,其带宽积分平均衍射效率最高为96.81%,对应的最优相对微结构高度误差为4.42%。该方法进一步完善了双层衍射光学元件加工误差的设计理论。     

基于计算全息的衍射光学元件印模制备方法研究

介绍了一种基于计算全息的非对称多台阶衍射光学元件印模制备方法，研究了相位型计算全息的工作原理和设计方法，建立了相应的光学系统和衍射光波模型，设计了求取相位型印模微结构的算法流程。在理论分析的基础上，以叠心图案为例，利用MATLAB分别仿真了2台阶、4台阶、8台阶、16台阶衍射光学元件的相位信息以及表面微结构形貌，并对比了其再现图像的质量，发现台阶数越多，再现图像的质量越好。获得印模空间高度数据以及表面结构分布后，利用单点金刚石车削技术，采用快刀加工方式，分别加工了元件尺寸为6 mm×6 mm，最小特征尺寸为30 um的2台阶和4台阶印模，并获得了实际加工的台阶轮廓曲线以及表面结构轮廓。最后采用紫外固化纳米压印技术实现了4台阶印模的复制过程，并对复制样品进行了图像再现，结果表明该方法能用于非对称低台阶数衍射光学元件印模的制备。     

基于纳米压印的大角度衍射光学元件批量化制备方法

针对大角度(大于50°)衍射光学元件低成本、批量化制备的需求,提出一种基于纳米压印技术的制备方法.首先利用光学曝光技术或电子束直写技术制备衍射元件的原始母板,然后将原始母板的结构通过纳米压印过程复制到压印胶上,完成衍射光学元件的制备.由于纳米压印母板可以多次重复使用,降低了制作成本,提高了效率.用该方法制备了不同特征尺寸(最小为250nm,衍射全角为70°)的衍射光学元件,具有良好的衍射效果,实现了对高深宽比浮雕结构的高保真复制.该技术可实现从微米到纳米跨尺度兼容的衍射光学元件的高保真、低成本、批量化制备.     

基于超表面材料的扇出衍射光学元件

提出一种基于电介质纳米砖阵列的扇出衍射光学元件的设计和实现方案,其纳米砖的深宽比低至1.5。这种扇出衍射光学元件被一束波长为633 nm的入射光束照射时,可以在远场中得到均匀的4×4点阵,发散角为32°×32°,且数值模拟与实验结果吻合良好。基于超表面材料的扇出衍射光学元件具有连续、精确的相位操纵能力和较高的偏振转换效率,并且仅需一步光刻制造工艺,可以广泛应用于工程光学的各种领域,例如光学传感,激光雷达,激光加工等。     

多层衍射光学元件成像特性的研究

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656 μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.     

改善塑料光学零件成型质量的几个问题

从改进注射成型技术和模具制造技术的角度介绍了提高塑料光学零件的质量所采取的措施。在抑制变形的成型技术中所采用的注射压缩成型方法中，用机械的方法对熔融塑料均匀加压以减小塑件的变形及残余应力。也可采用适当的补偿方法修正模具以补偿塑件的变形。在模具制造中可以在模芯表面镀一层非电镀镍，然后用金刚石车削机床加工，而获得很好的表面粗糙度和表面面形精度。     

多层衍射光学元件成像特性的研究

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656 μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.     

折衍射混合复消色差望远物镜中的色球差

一个正透镜、一个负透镜及一个衍射光学元件以不同的组合可以构成两种折衍射混合光学系统.当这两种系统消球差、彗差及复消色差后会产生不同的色球差.通过赛德尔像差理论,分析了这两种结构产生不同色球差的原因.计算表明当衍射光学元件以负透镜的平面为基底时产生的色球差为以正透镜的平面为基底时产生的色球差的7倍.对衍射光学元件以负透镜的平面为基底的情形,提出了减小系统色球差的解决办法,使系统色球差减小到0.307 mm.另外设计了一个传统复消色差光学系统,并和折衍射混合光学系统进行了比较,分析表明,衍射光学元件可代替传统光学系统中的特殊光学材料并使系统达到相同的成像质量.最后讨论了衍射光学元件的衍射效率对系统成像质量的影响.     

玻璃光学元件精密模压成形技术

介绍了玻璃光学元件精密模压成形技术的原理、玻璃材料、模具制造、模具表面镀膜、结合有限元仿真的模压工艺优化和模压成形设备等核心技术的研究进展,并讨论了当前存在的问题。通过探讨玻璃模压成形技术在自由曲面、微结构、衍射结构表面和晶圆阵列等光学元件中的应用现状,对玻璃元件精密模压成形技术的发展趋势和挑战进行了展望。     

基于响应函数的大口径衍射元件光场调制分析

针对大口径衍射光学元件快速高精度分析难题，提出了基于响应函数的光场调制分析方法。首先，将衍射元件表面的微结构分解成多个台阶结构；然后，使用严格矢量理论方法计算台阶对入射光场的调制作用，并转化成阶跃响应函数；最后，利用相干合成原理将每个台阶的阶跃响应函数合成为微结构对入射光场的响应。分析了微结构最小线宽、响应函数作用范围和台阶定位误差等对计算精度的影响，并利用所提方法计算了不同口径衍射透镜的近场及远场分布。结果表明，即使存在25 nm的台阶定位误差，透镜远场的最大光强和衍射效率与严格矢量理论计算结果的差异仍然小于2%，同时计算效率提升了至少3个数量级，可见，所提方法可兼顾大口径衍射元件分析的精度与速度。     

光学双焦非球面圆柱面塑料集光透镜模芯制造技术

介绍一种由一面为圆柱面 ,另一面为非球面圆柱面构成的尺寸较小的光学塑料集光镜模芯制造技术。产品技术要求 F1=∞ ,F2 =4 5 ± 0 1mm ,集光效率 >85 %。内容包括CAM软件开发、线切割加工工艺、研磨抛光技术。采用该工艺制造的模芯经检测 ,表面粗糙度Ra=0 0 35 μm ,面形误差为 0 63μm。用该模芯加工的塑料产品经美国有关公司检测 ,F1=∞ ,F2 =4 5± 0 1mm ,集光效率≥ 90 %,质量达到了设计和使用要求 ,目前已批量生产。     

红外双色宽波段高衍射效率衍射光学系统设计

采用双层Kinoform型衍射光学元件,设计了一种能够同时在红外中波(MWIR)3~5μm和长波(LWIR)8~14μm波段内工作的双波段光学系统。系统仅使用两种材料(ZnS和ZnSe)和四片透镜,实现了焦距100mm、F数1.2的长焦距、大相对孔径光学系统设计。通过数值仿真运算,合理地选择双层衍射光学元件的两种基底材料及设计波长,衍射光学元件的带宽积分衍射效率超过96%。系统像差得到了很好的校正,成像质量良好,中波所有视场调制传递函数(MTF)(14.3lp/mm)大于0.7,长波大于0.65,且接近衍射极限,同时分析了衍射效率对系统MTF的影响。最后利用Matlab软件绘制了衍射表面微结构仿真图,两个衍射面的最大闪耀深度分别为179.3μm和159.4μm,最小特征尺寸为1.41mm,完全满足目前金刚石车削工艺的加工要求。     

衍射光学元件车削补偿技术的研究

超精密单点金刚石车削加工是高精度衍射光学元件制造的重要方法,但是以往的加工方法是直接一次车削加工成型,无法实现具有加工-检测-补偿加工-检测的闭环控制特点的超精密加工,从而导致零件精度较低。针对这种加工技术的缺陷,通过研究衍射光学元件金刚石车削过程和面形状误差补偿,对表面轮廓仪实际测量的轮廓数据进行处理,计算出实际车削曲线与理想曲线之间的法向残余误差,以此获得新的金刚石车削加工轨迹,实现衍射光学元件的超精密闭环控制加工。利用单点金刚石车床对口径78的衍射光学元件进行补偿加工试验,最终使其PV值由10.4 m经过一次补偿加工后降为4.3 m。     

基于衍射光学元件的激光相干合成研究进展

从衍射光学元件的基本原理出发,围绕连续波和脉冲波两大应用领域,综述了国内外基于衍射光学元件实现共孔径相干合成的研究进展。在国内,上海光学精密机械研究所分别实现了连续光和脉冲光的合成,连续光实现了206 W的输出功率,光束质量1.38,合束效率29.6%;脉冲光实现了峰值功率1.02 kW,重复频率2.2 MHz的ns级脉冲相干合成光束,合束效率61%。在国外,连续光方面实现了5 kW量级的合成光输出,合束效率82%;脉冲光方面实现了平均功率150 mW,重复频率100 MHz的fs级脉冲相干合成光束,合束效率83.4%。最后对基于衍射光学元件的激光相干合成技术的未来发展做出了展望,相信在不久的将来,基于衍射光学元件的相干合成技术会不断发展,逐渐突破技术瓶颈,从而为更多的应用领域奠定坚实基础。     

45°光纤微反射镜聚焦离子束加工及多轴位移检测研究

聚焦离子束加工作为一种微纳加工手段,可以用来制造纳米元件和微结构元件。研究了在多芯光纤的末端,使用聚焦离子束加工技术设计和制造45°镜面的全过程。该光学镜面由两步加工完成,首先是扫描过程,用来制造粗糙的切割面;然后是抛光过程,用来完成光学表面的光洁处理。加工完成的45°镜面可以准确地与光纤的纤芯对接,避免了外部转向镜组件对接的相关问题。实验测试表明,加工的结构可以通过干涉测量两个垂直轴向的位移值,检测位移测量范围大致为60 μm,X和Y方向的均方根绝对测量误差约为1.75‰和1.97‰。该技术有望用于精密零件内表面、血管内壁等检测领域。     

硫系玻璃衍射面模压成型仿真分析与实验研究

为了减小玻璃模压工艺中硫系玻璃衍射光学元件的面形误差,对衍射结构的填充效果和衍射光学元件的应力进行研究。建立了局部衍射结构有限元仿真分析模型,分析了模压温度、模压速度、摩擦系数等因素对衍射结构填充效果和应力的影响,并在仿真结果的指导下进行实验研究,实验结果表明衍射结构的填充效果和应力对面形均有影响,衍射结构填充得越充分、应力越小,成型透镜的面形精度越高,最终得到的成型透镜面形误差为0.3053μm,表面粗糙度Ra为2.95 nm。     

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％.     

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

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30 μm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11.702 μm;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。