CCD抽样对傅里叶变换轮廓术的影响

从傅里叶变换轮廓术(FTP)原理入手,分析了傅里叶变换过程中频谱的产生,给出了CCD像元信号强度及其经抽样后的变形条纹的表达式,得出了变形条纹的傅里叶频谱式,其频谱是原连续函数的频谱在频域内的无限重复,即"频谱岛"。频谱中除了基频外,还产生了二级、三级等的高级频谱。给出了抽样条件及满足抽样条件的方法:当抽样频率与光栅基频的比值m>4时可以恢复物体的面形,反之不能;减小抽样间隔可以使m>4。给出了实验结果:当m=2.0883时,物体面形没有恢复;当m=16.6667时,物体面形得到了恢复。实验结果证明了理论分析的正确性。     

亚波长光栅的偏振闪耀特性

 使用琼斯矩阵的方法推导了连续结构亚波长光栅的衍射方程,给出了光栅衍射效率表达式,对偏振特性与衍射特性进行了研究。发现连续结构亚波长光栅仅存在３个衍射级,总衍射效率为100%,且衍射效率可在衍射级间任意分配,0级的偏振态与入射光的偏振态相同,±1级衍射光偏振态与入射光无关,－1级为左旋圆偏振光,＋1级为右旋圆偏振光。通过设置入射光偏振态与光栅相位延迟等参数,可使光栅具有闪耀特性,据此可用于设计高效偏振光分束器和偏振光开关。     

双频光栅傅里叶变换轮廓术频谱混叠研究

讨论了用双频光栅方法对包含突变成份的物体产生的变形条纹进行傅里叶变换时,可能会出现频谱混叠问题.推出了低频光栅的频谱f1与高频光栅的频谱f2不相互混叠的条件,分析了探测器非线性会引起同一光栅间频谱发生混叠情况.考虑到通常情况下低频光栅频谱f1与高频光栅频谱f2的混叠起主要作用,因此在该情况下用计算机仿真与实验验证了:当f2<2f1时,f1与f2相互混叠,物体面形难以恢复;当f2>2f1时,f1与f2不相互混叠,物体面形恢复得很好.     

共振域矩形介质光栅的逆向设计

采用模态法研究了共振域光栅分束器及闪耀光栅等光学器件的设计原理及逆向设计方法,给出了-1级非偏振闪耀光栅的典型设计示例。研究表明,自准直角入射时,光束在光栅内传输将激发产生离散模,通过调节离散模透过光栅传输时的累积相位差,可对衍射光进行调控,实现偏振(非偏振)分束、偏振(非偏振)闪耀等功能。采用严格耦合波法对基于模态法逆向设计的-1级非偏振石英闪耀光栅的几何参数进行验证,计算结果显示两者非常吻合,证明了该方法的正确性。     

Design of a Fused-Silica Subwavelength Polarizing Beam Splitter Grating Based on the Modal Method

A polarizing beam splitter （PBS） design based on a fused-silica lamellar subwavelength transmission grating is demonstrated with the modal method, where TE- and TM-polarized waves are mainly diffracted in the -1st and 0th orders, respectively. The physical explanation of the grating diffraction is illustrated by the interference of the corresponding parts of the two propagating modes, which is very similar to a Mach-Zehnder interferometer. It is shown that diffraction efficients over 99% for a TM-polarized wave in the -1st order and 90% for a TE-polarized wave in the 0th order are obtained at the wavelength of 1.053 μm. The polarization transmission extinction ratios are better than 33 dB and 51 dB for the order 0th and the -1st order, respectively. The splitting properties of the PBS grating designed by the modal method are in good agreement with the results simulated by the rigorous coupled wave analysis method.     

Optimal design of sub-wavelength metal rectangular gratings for polarizing beam splitter based on effective medium theory

A novel optimal design of sub-wavelength metal rectangular gratings for the polarizing beam splitter (PBS) is proposed. The method is based on effective medium theory and the method of designing single layer antireflection coating. The polarization performance of PBS is discussed by rigorous couple-wave analysis (RCWA) method at a wavelength of 1550~nm. The result shows that sub-wavelength metal rectangular grating is characterized by a high reflectivity, like metal films for TE polarization, and high transmissivity, like dielectric films for TM polarization. The optimal design accords well with the results simulated by RCWA method.     

傅里叶变换轮廓术中物体高度最佳恢复条件

在分析傅里叶变换轮廓术中传统的高度与相位关系的基础上,推出了高度与相位的普通关系式,提出了物体高度最佳恢复条件的新理论,给出了简单的物理解释.由此得出结论：物体高度最佳恢复时的几何参量α（双瞳连线与参考面夹角）大小与系统几何结构参量a、b有关.计算机仿真验证了：当a=600 mm、b=3 000 mm时,可得物体高度最佳恢复时的α=arcsin (1/5),此时所得的标准差为0.269 7;作为对比：当α=0时,所得的标准差为0.295 6.实验验证了：α=arcsin (1/5)时的恢复效果比α=0时的恢复效果更好些.     

亚波长金属偏振分束光栅设计分析

结合有效介质理论和薄膜光学的抗反射设计方法,设计了基于0.65μm工作波长的亚波长金属偏振分束光栅,给出了光栅的优化设计参数,采用严格耦合波理论分析了光栅的偏振分束特性.结果表明,亚波长金属光栅对TE偏振表现为金属膜特性,具有高反射,对TM偏振表现为介质膜特性,具有高透射,在-30°<θ<30°的大入射角范围和0.47μm<λ<0.80μm的宽入射波谱内,该光栅的透射光和反射光均具有高偏振消光比和低插入损耗的特点. 关键词： 亚波长金属偏振分束光栅 有效介质理论 薄膜光学 严格耦合波理论     

双频光栅傅里叶变换轮廓术频谱混叠研究

讨论了用双频光栅方法对包含突变成份的物体产生的变形条纹进行傅里叶变换时,可能会出现频谱混叠问题.推出了低频光栅的频谱f1与高频光栅的频谱f2不相互混叠的条件,分析了探测器非线性会引起同一光栅间频谱发生混叠情况.考虑到通常情况下低频光栅频谱f1与高频光栅频谱f2的混叠起主要作用,因此在该情况下用计算机仿真与实验验证了：当f2<2f1时,f1与f2相互混叠,物体面形难以恢复;当f2>2f1时,f1与f2不相互混叠,物体面形恢复得很好.     

去噪和非线性效应中滤波方法的选择研究

针对去噪和非线性效应中滤波的特点,分析了去噪和非线性效应的基本原理,给出了矩形滤波、汉宁滤波和门限滤波的方法及其优缺点,比较了这三种滤波方法对傅里叶变换轮廓术(FTP)测量准确度的影响.计算机仿真表明:对于线性系统中的去噪处理,选用门限滤波效果最佳;对于非线性效应中滤波,选用矩形滤波与汉宁滤波效果较佳.实验中主要表现为非线性效应.结果表明:用矩形滤波,物体面形恢复的最好,用门限滤波,物体面形恢复的最差.计算机仿真和实验结果都表明:矩形滤波与汉宁滤波相比较,用矩形滤波效果更佳.