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。     

入射角对双层衍射光学元件衍射效率的影响

基于单层衍射二元光学元件的相位延迟表达式,将双层衍射光学元件的衍射面用二元光学元件的台阶表面近似模拟,推导出光束斜入射时双层衍射光学元件的衍射面产生的相位延迟,揭示出含有斜入射角度的双层衍射光学元件衍射效率表达式.实例分析结果表明,双层衍射光学元件衍射效率仅在一定角度范围内对入射角的变化不敏感,当入射角度持续增大时,衍射效率随入射角的增加快速下降.当入射角从0°增大到4.5°时,衍射效率几乎没有下降;当入射角从4.5°增大到6.7°时,衍射效率开始缓慢下降到95%;当入射角从6.7°增大到9.5°时,衍射效率明显下降到80%;当入射角从9.5°增大到18°时,衍射效率快速下降到0.     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于带宽积分平均衍射效率的多层衍射光学元件设计

以衍射光学元件(DOE)相位延迟表达式为基础,研究并给出了多层衍射光学元件(MLDOE)的带宽积分平均衍射效率(BIADE)与相应设计波长关系的表达式。在MLDOE的基底材料确定后,由所给出的表达式可以得到最大BIADE及相应的设计波长,由此可以实现MLDOE的BIADE最大化、精确化设计。在0.4～0.7μm可见光波段,以聚甲基丙烯酸酯和聚碳酸酯为基底材料,通过优化得到最大BIADE为99.3%,相应的设计波长为0.435μm和0.598μm,各层谐衍射元件(HDE)的微结构高度分别为16.460μm和12.813μm,所得到的BIADE比以0.4μm和0.7μm为设计波长时高4%。     

斜入射时光栅衍射特性的理论分析及实验研究

在研究倾斜入射衍射光栅时如何测量光谱波长的基础上,给出了衍射光相对于零级衍射光夹角与倾斜入射光入射角的关系,利用最小衍射角法和等效光栅法测量高压汞灯绿光谱波长,定量分析了在常规衍射光栅实验中斜入射对波长测量结果的影响。     

投影系统中DMD衍射效率的研究北大核心CSCD

数字微镜阵列(DMD)作为空间调制元件常用于投影光学系统,入射光为长波红外时产生的衍射效应会影响进入系统的能量分布,该文主要讨论光源入射角度对衍射效应的影响,将DMD作为闪耀光栅模型,研究其在长波红外波段产生的衍射效应。从光程差的角度分析在主、副对角线分别处于“开态”情况下的衍射效应,发现衍射效应与入射角度有关;将DMD作为闪耀光栅模型,采用矢量衍射理论计算7.7μm~9.5μm波段下DMD处于“开态”下的衍射效率。计算结果表明:当TM偏振光以44°角照射时,1级衍射达到闪耀状态,衍射效率可达到70%。     

偏心误差对长波红外波段多层衍射光学元件衍射效率的影响

基于衍射光学元件的相位延迟和衍射效率表达式,推导出了含有偏心误差的多层衍射光学元件衍射效率表达式。建立了含有偏心误差的多层衍射光学元件衍射效率的数学模型,分析了偏心误差对多层衍射光学元件衍射效率及多色光积分衍射效率的影响。以在8~12μm波段内的硫化锌(Zn S)和锗(Ge)为基底材料构成的多层衍射光学元件为例,其设计波长对为8.79μm、11.11μm,构成多层衍射光学元件的两层谐衍射元件微结构高度为78.3391μm、34.6076μm,当多层衍射光学元件的环带宽度分别为500μm和1000μm时,其衍射效率达到95%以上时,偏心误差须分别控制在5.8μm和11.17μm以内。该含有偏心误差的多层衍射光学元件的衍射效率分析模型对于多层衍射光学元件的设计与加工具有重要意义。     

基于体全息光栅的光学相控阵放大级设计

为了扩展光学相控阵的角度扫描范围,设计了基于体全息光栅的放大级,研究了光栅结构参数及其制作误差对性能的影响规律,提出了容差优化方法。研究结果表明:光栅厚度和折射率调制度是影响衍射效率的主要参数,光栅周期和光栅厚度是影响角度选择性的主要参数。光栅出入射角由光栅周期和光栅矢量倾斜角决定,在保持角放大率不变时,可以通过在出入射面内旋转介质调节这两个参数。实际制作中,光栅周期误差和光栅矢量倾斜角误差会导致衍射角偏离设计值,读出光波长越长,光栅周期误差的影响越小;光栅后面介质折射率越高,光栅矢量倾斜角误差影响越小。增加光栅厚度设计值可以减小光栅厚度误差对衍射效率的影响,而减小光栅厚度设计值可以减小折射率调制度误差对衍射效率的影响,实际制备时,需结合系统需求进行综合设计。     

空心圆柱微腔谐振模式研究

基于分离变量法研究了平面波斜入射时,空心无限长介质圆柱微腔的光学特性,通过计算散射场展开系数分析了入射角度、空心部分的尺寸等因素对谐振廓线的影响。研究结果表明,当空心部分的尺寸参数较大时将使微腔的形貌共振(Morphology Dependent Resonances,MDR)峰值产生偏移,当空心部分尺寸参数较小时,圆柱仍然可以产生MDR共振,且位置和均匀圆柱重合。当平面波斜入射时,MDR峰也会产生偏移,并且随着入射角度的减小,MDR峰值减小,直至完全消失。     

斜入射激光超声体波声场的实验研究

为研究微烧蚀状态下圆形光斑斜入射时激光超声声场的指向性,使用脉冲激光辐照半圆柱形铝质工件表面,并使用压电探头和电磁超声探头分别接收纵波和横波信号。根据速度参数确定了超声信号的类型,提取了信号的峰-峰值,并绘制出声场指向性曲线。通过分析获得以下结论:激光斜入射角度在0~60°范围内变化时,纵波声场的声束轴线方向保持不变,且与工件内法线平行;另外,横波声场的峰-峰值仍然在±35°的方向上取最大值,但是横波指向图形的主瓣易受激光入射方向的影响,当倾斜角度大于等于45°时,横波主瓣的范围变得较宽。     

光束斜入射的分频光栅衍射行为研究

 用标量理论和矢量理论分析了光束斜入射时分频光栅的衍射行为，分频光栅在光束斜入射时的分频效果，以及入射角度的有效范围。计算结果表明，并非严格的正入射才能保证分频光栅的分频效果，在光束入射角度小于5°时仍然可以满足ICF系统的要求。     

双层衍射元件加工误差对带宽积分平均衍射效率的影响

双层衍射光学元件可以在宽波段范围内获得高的衍射效率。加工误差会导致带宽积分平均衍射效率的下降,进而影响折衍射混合成像光学系统的传递函数。基于位相延迟和带宽积分平均衍射效率的表达式,建立了双层衍射光学元件加工误差与带宽积分平均衍射效率的数学关系。分析了应用于8~12 mm长波红外光学系统中的两种加工误差对双层衍射光学元件衍射效率的影响。采用带宽积分平均衍射效率,可以直接评价宽波段光学系统的成像质量。通过带宽积分平均衍射效率和双层衍射光学元件加工误差的关系,可以分析含有双层衍射元件混合光学系统的调制传递函数。     

衍射元件表面粗糙度对衍射效率的影响

基于多层衍射光学元件的位相延迟表达式,提出了单点金刚石车削影响下的多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学模型,并给出了相应的分析表达式.以基底材料分别是硒化锌和硫化锌构成的多层衍射光学元件在近红外波段(1.4~2.5m)的应用为例进行分析.结果表明表面粗糙度会导致多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的明显降低,从而降低了混合成像光学系统的成像质量.因此,单点金刚石车削衍射元件时,要根据使用需求制定合理的表面粗糙度加工误差.     

孔结构金属装甲抗弹能力的数值模拟

采用数值模拟方法研究了高速弹体冲击下孔结构金属装甲的抗弹能力,系统讨论了弹体冲击速度、入射角、弹着点、孔径、孔间距等因素对抗弹能力的影响。结果表明,在弹道极限速度附近,随着弹体冲击速度的增加,弹着点效应逐渐变得不明显;弹体垂直入射不对称弹着点时会出现明显偏转,而倾斜入射时即使在对称弹着点上也会出现明显的偏转现象;当弹体入射角度大于45°时,弹体剩余速度和侵彻深度出现较明显的下降,当入射角度大于65°时,出现弹跳现象。     

孔结构金属装甲抗弹能力的数值模拟北大核心CSCD

采用数值模拟方法研究了高速弹体冲击下孔结构金属装甲的抗弹能力,系统讨论了弹体冲击速度、入射角、弹着点、孔径、孔间距等因素对抗弹能力的影响。结果表明,在弹道极限速度附近,随着弹体冲击速度的增加,弹着点效应逐渐变得不明显;弹体垂直入射不对称弹着点时会出现明显偏转,而倾斜入射时即使在对称弹着点上也会出现明显的偏转现象;当弹体入射角度大于45°时,弹体剩余速度和侵彻深度出现较明显的下降,当入射角度大于65°时,出现弹跳现象。     

浅表组织后向散射检测中偏振门的蒙特卡罗研究

已有实验表明偏振门和斜入射技术能有效地抑止深层散射光子,实现浅表组织光学特性的检测。采用蒙特卡罗方法,分析了斜入射、偏振门的特性,研究了组织光学参量和入射角等参量对平均探测深度的影响。结果表明,组织的各向异性因子和入射角对平均探测深度影响较大。当各向异性因子较小(小于0.8)或者入射角较大(大于1.4 rad)时,组织的平均探测深度能满足小于2倍平均自由程的要求。偏振门和斜入射技术均可使探测光子经历的散射次数和探测深度有明显减小,因此,结合偏振门和斜入射技术能够更有效地分辨来自浅层的信号光,抑止来自深层的背景光。     

胶质红外量子点薄膜入射角对荧光特性的影响分析

胶质红外量子点优异的光学性能使其荧光特性具有广泛的应用前景,在实际应用中通常需要封装成薄膜形态以保持稳定的荧光特性。然而,分散形式的改变可能会导致量子点荧光效率降低以及荧光角度特性变化。因此,建立了红外量子点荧光强度探测系统,对胶质红外量子点薄膜在不同角度激发光入射时产生的荧光分布情况进行研究。实验及分析结果表明,激发光与样品表面夹角大小在10°～170°之间的较大范围内入射时,在反射及透射荧光区域均可探测到荧光峰值强度70%～80%以上的荧光出射,在这一范围内的反射荧光与透射荧光强度差异和荧光强度随激发光入射角度的变化规律分别与样品中量子点的浓度以及分布形态有关。同时,随着入射激光能量的增强,样品出射荧光强度对于入射角度变化的“平坦”范围进一步扩大。