双层光学薄膜参数的多入射角椭偏分析方法

本文讨论了多入射角椭偏测量中光学参数的误差因子以及最佳测量条件的选取.指出,当薄膜较厚时,多入射角椭偏测量可以精确确定膜系的光学常数和几何厚度,并用二例实测结果加以证实.本文的方法也适用于分析多层光学薄膜.     

多层衍射光学元件斜入射衍射效率的测量

为了验证多层衍射光学元件的衍射效率随入射角度的理论变化关系,设计并制作了一个含有多层衍射光学元件(MLDOEs)的光学系统。当次级衍射光通过孔径光阑由探测器接收时,为保证衍射效率的测量精度,提出了一级衍射能量的修正方法。利用搭建的双光路装置,在0°~30.6°范围内对该多层衍射光学元件进行了衍射效率的测量。针对设计波长532nm,选取7个入射角度测量衍射效率,并对测量结果进行了模拟和分析。由于存在一定的加工误差,在不同入射角度状态下实际测量得到的衍射效率比理论分析的结果低,但是实测与理论分析结果均表明,多层衍射光学元件的衍射效率随入射角的增大而下降。     

光学薄膜参数椭偏测量中的多变量误差分析

本文采用多变量的误差分析方法给出光学薄膜参数对于椭偏角ψ,反射率R,入射角和吸收薄膜厚度的误差因子公式。由此便可确定出光学参数的测量精度。本文还利用误差因子与薄膜折射率,薄膜厚度和入射角的关系曲线,讨论了最佳测量条件和测量结构的选取。并且指出,在同时确定两个或多个未知参数时,不能只由可测量量随某一个参数变化的灵敏来讨论和确定此参数的测量精度。     

玻璃在线激光测厚误差的透反互补抑制

为了抑制激光在线测厚时入射角波动引起的误差,根据几何光学分析了激光透射式和反射式测厚原理,发现激光在特定入射角附近波动时,两种方式的测厚误差一正一负,具有互补性,在此基础上提出基于透射和反射同时测量的互补式测厚方法,该方法可将误差限定在透射式和反射式测量误差之间,抑制在线测厚误差.对于有机玻璃平板,理论计算表明,当激光入射角在67.013°±4°波动时,相对误差绝对值在1%以内,误差抑制率均值大于90%;当入射角为61.536°时,误差抑制率为100%.利用线结构激光器和两个线阵CCD相机搭建互补式测厚实验系统,测量了标称厚度为1~5mm的有机玻璃平板,与透射式和反射式测厚结果进行对照,除厚度为1mm的玻璃外,互补式测厚误差被限制在透射式和反射式之间,最大误差抑制率达61%.实验结果表明,该互补式方法有效抑制了误差,提高了在线厚度测量准确度,解决了在线测量不可重复性导致的无法通过均值法减小误差的问题.     

合金钢材料光学常数的椭偏测量及其修正

用椭偏法测量了入射光波长0.632μm、入射角50°至85°时某合金钢的光学常数。考虑材料表面的粗糙度,用Ohlidal-Lukes理论对所测光学常数值进行修正,发现椭偏参量的修正量随入射角增大而增大。结果表明,用椭偏法测量合金钢光学常数时采用较小入射角能获得更精确的样片光学常数。     

椭偏法测量表面微粗糙合金钢材料的光学常数研究

采用椭偏法测量入射光波长为0.632μm,入射角为50°～85°时合金钢的光学常数。考虑材料表面的粗糙度,用Ohlidal-Lukes理论对所测光学常数值进行了修正,发现椭偏参量的修正量随入射角增大而增大。结果表明,测量入射角在50°～70°范围内测量值与修正后计算结果基本一致,在70°～85°范围内测量值与修正后的计算结果差距较大。因此,用椭偏法测量合金钢光学常数时使入射角小于70°,测量结果会更加准确。     

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。     

光学元件残余偏振测量方法与装置

光学镜头的残余偏振是影响偏振遥感探测、偏振军事目标识别和精密光学测量仪器测量准确度的一个关键参数。针对大口径可见光波段光学镜头偏振度准确测量的问题,研制了一台光学镜头残余偏振度测量装置。该装置利用表面镀金属膜的大口径离轴抛物面反射镜作为准直光源,通过控制入射光的入射角、降低入射光源的残余偏振度等技术,在水平、垂直、45°、135°的方向获得了一致性很高的斯托克斯参量。为了验证该装置的性能,对可见光波段口径小于160 mm的光学镜头残余偏振进行了实际测量,测量结果表明,该测量装置的残余偏振度低于0.2%,可满足高精度光学镜头残余偏振的测量需要。     

水下环境光学特性测量方法

为实现水下对航行器光学探测,研究了水下环境光学特性测量机理,确立了海洋下行辐射、海洋上行辐射测量方法。在分析海洋下行辐射分布规律的基础上,简化了海洋下行辐射模型,建立了Janus海洋下行辐照度测量模型,设计了辐照度光学探头,确定了海洋上行辐射测量方法,并完成光学探头的响应度定标设计。分析表明,下行辐照度由标量辐照度、散射系数、体积衰减系数和漫衰减系数共同决定,均匀角分布入射辐射率,当入射角小于70°时,余弦误差小于5%,采用的Janus设计优化了海洋下行辐照度的测量。海洋下行辐射、海洋上行辐射测量方法的建立,为水下实现目标环境光学特性测量奠定了技术理论支撑。     

基于入射角扫描方式的大量程绝对折射率传感方法

针对石墨烯基的折射率传感系统中存在的大量程和高测量灵敏度无法兼得且仅能实现相对折射率测量的问题,提出了一种基于全内反射式的大量程绝对折射率测量方法。该方法仅通过一维线性运动,实现了大范围角度的精确调控。利用光学4f系统,保证了采样点位置不随入射角的变化而变化。不同入射角下的扫描测量方法的折射率测量范围理论上可以达到1～1.5168,通过对不同质量分数的氯化钙溶液的折射率进行测量,从实验上获得7.203×10^-4 RIU的测量灵敏度。     

On astigmatism of multi-beam optical stress sensor mounted at large incident angle

When multi-beam optical stress sensor (MOSS) system is mounted at a large incident angle (α), despite an improvement of the resolution in the measurements, it also induces optical astigmatism in the spot images on a charge coupled device (CCD). During epitaxial growth, as the film stress increases, the astigmatism may result in the spot spacing deflection (δd) changing at different rates in the directions parallel and perpendicular to the incident plane, if the α is large. In this paper, the system error due to the astigmatism is analyzed by the ray tracing method and its predictions are compared with the the experimental results. It is demonstrated here, how the spot spacing deflections along the above mentioned orthogonal directions can be considered separately to minimize the error due to astigmatism in the MOSS measurements at any large α.     

基于微梯形弹光晶体的大光程差PEM研究

针对目前基于弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)的傅里叶变换光谱测量技术(PEM-FTS)的光谱分辨率低,并且PEM调制光程差有限、多次反射对入射光斑大小要求高且光能利用率低等缺点。提出一种基于微梯形八角结构弹光晶体的大光程差PEM方法。通过改进弹光晶体结构,使其为微梯形八角结构,两个通光面略微成一定夹角,该结构PEM不仅可以有效提高PEM调制的最大光程差,而且对入射光斑要求较小。理论推导分析了该PEM的最大调制光程差,并推导得出任意角、任意位置入射时PEM的最大调制光程差公式;通过多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics 4.3a对PEM的振动模态和应力分布进行分析;结合PEM的最大调制光程差和光能利用率,分析了寻找最佳入射角的方法。设计加工该PEM,其中弹光晶体选用硒化锌晶体,压电晶体选用压电石英晶体。采用波长为632.8 nm的氦氖激光进行实验分析,实验结果显示,在相同驱动电压下,该PEM的最大调制光程差是普通PEM的19.25倍,与理论仿真的相对误差为1.3%。     

五角棱镜角度误差对建立大尺寸平面基准的影响

用一准直光束作为基线，通过９０°折转的五角棱镜扫描，建立一个参考基准面在大尺寸测量中是一种行之有效的方法。在理想条件下，五角棱镜的折转角不受入射角的影响。由于有加工误差，光束的折转角将偏离９０°，且入射光线与扫描轴间的角运动也会影响该偏转角。本文分析了五角棱镜角度误差和扫描精度对光束折转角的影响。结果表明，五角棱镜的制造误差和工作状态将引起测量带误差，该误差是一个固定的系统误差，可以通过预先对所用的五角棱镜进行标定，在数据处理中予以修正。实验结果表明，修正后的结果具有很高的精度     

一种实时测量入射激光波长及方位的新方法

提出了一种利用CCD和光栅实时测量入射激光波长及方位的新方法。该方法利用成像CCD,通过测量入射激光成像点在电视成像坐标系中的位置来确定激光的入射方位;根据光学系统中成像点位置与光栅入射角和衍射角的几何关系,利用光栅测量入射激光的波长。介绍了该方法的测量原理及光学系统结构,给出了测量入射激光波长及方位的计算表达式,分析了测量误差,并在室内通过测量实验对该方法进行了验证。     

超光滑基片表面散射的数值研究

以一阶微分散射理论为基础,从理论和模拟两个方面对超光滑基片表面的散射电磁场进行了数值研究.分析了s偏振光和p偏振光的微分散射随入射角和散射角的分布情况.研究发现,当入射角较大时,p偏振光在某个散射方向的微分散射为0,而无论入射角和散射角如何变化,s偏振光的微分散射均大于0.当用光散射法对超光滑基片进行表面测试时,相对于...     

Three-dimensional vector radiative transfer in a semi-infinite, Rayleigh scattering medium exposed to a polarized laser beam: spatially varying reflection matrix

Three-dimensional vector radiative transfer in a semi-infinite, Rayleigh scattering medium exposed to a polarized, Gaussian laser beam directed perpendicular to the surface is studied. The focus of this investigation is the 4×4, spatially varying reflection matrix that can be used to determine the normally backscattered radiation when the polarization of the incident radiation is specified. An inverse integral transform is used to construct the spatially varying reflection matrix from the generalized reflection matrix found in a previous study. The elements of this matrix depend on location specified by optical radius and azimuthal angle. The azimuthal variation is found by performing part of the inverse transform analytically, while the radial variation is described by five functions that are calculated numerically via an inverse Hankel transform. Benchmark numerical results for these five functions are presented, and the effects of beam radius and particle concentration are discussed. Expressions that describe the behavior of the reflection functions at small and large optical radii are developed, and comparisons are made to the one-dimensional and scalar situations. The scalar approximation fails to predict the three-dimensional effects produced by the polarized beam, and even when the incident radiation is unpolarized, the error in the scalar reflection function can be as high as 20%.     

Feasibility of Non-Collinear TeO2 Acoustic-Optic Tunable Filters Used in the Optical Communication

The characteristics and the structure of TeO2 acoustic-optic tunable filter used in communication are discussed briefly based on the acoustic-optic theory and it is shown that a large optical incident angle and a long interaction length are suitable for the optical add/drop multiplexer based on the TeO2 acoustic-optic tunable filter. The distribution of acoustic energy flow in the device supports the large optical incident angle. The long interaction length depends on the change of the device structure to some degree. The measured results of the samples show that the diffraction efficiency reaches at 96% in the tuning range larger than lOOnm and the bandwidth is about 2nm. It can be found that there is a good consistency with the basic theoretical mode. The optimized design result shows that the diffraction efficiency can arrive at 100%, and the bandwidth can be less than 0.4nm. Thus, the non-collinear TeO2 acoustic-optic tunable filter can play an important role in the coming general optical network.     

单轴晶体中的负折射现象研究

分析了在各向同性介质和单轴晶体界面实现负折射的最佳条件。计算发现,通过调节光轴角和各向异性参量可以使得负折射现象更为明显,获得最佳光轴角和最大入射临界角。各向异性强的晶体实现负折射的入射角范围可能会很大。讨论了单轴晶体中和负折射率介质中的负折射现象的区别：负折射率介质中的负折射是由负的折射率引起的,单轴晶体中是由于各向异性决定的。同时还发现单轴晶体中的能流负折射现象不能实现Pendry在理论上所预言的完美透镜。     

The phase mode of reflected beam from laser retroreflector with dihedral angle and flatness error

The phase mode of reflected beam (PMRB) is the most important factor for determining the far field diffraction pattern (FFDP) with laser retroreflector (LR). Based on the structure of LR and ray tracing method, the additional optical path difference of the light beam with various incident angle passed through no ideal LR is induced. Combined with the expression of incident beam, the mathematical PMRB is established for LR with dihedral angle and flatness error under different incident beam conditions. The FFDP with the phase mode is simulated for Champ laser retroreflector, which validates the correctness of PMRB.