基于位相分布限制衍射光学元件的散斑抑制方法

根据散斑产生的机理,利用像素点之间干涉的概念,提出了通过限制光场的位相分布范围来抑制投影图像中散斑对比度的方法.在部分发展散斑的条件下,推导了位相均匀分布情况下的散斑对比度公式,揭示了当相位分布范围在0.6π~2π之间时,散斑对比度随相位分布范围的变化而震荡变化,当把相位分布范围限制在0.6π以下时,散斑对比度会随相位分布范围的减小而迅速下降.建立了理想仿真模型和实际仿真模型来验证该方法的正确性和可行性.在理想仿真模型中,当位相分布范围从2π变到0,所得散斑图样对比度从66.44%降到0;在实际仿真模型中,模拟了实际激光投影系统的光路结构,并运用了两片衍射光学元件,一片用于激光整形匀化,一片用于光场的位相分布范围限制,散斑图样对比度从92.78%降低到2.09%.该方法稳定性高、耗能低、使用元件尺寸小,为全息投影显示的散斑抑制提供了参考.     

基于混合梯度下降的高性能光刻机离轴照明衍射光学元件设计

深紫外(DUV)光刻机照明系统普遍采用衍射光学元件(DOE)实现光瞳整形。根据光刻机的指标要求,衍射光学元件应具有高衍射效率和高均匀性的特点。传统的相位恢复算法如Gerchberg-Saxton(GS)及其改进算法,一般只能通过降低均匀性来提高衍射效率,无法得到最优的解。而全局优化算法如模拟退火法、遗传基因法等需要大量的计算时间,难以实现像素数目多的深紫外DOE的设计。为了克服上述困难,提出了一种基于GS的混合梯度下降算法,在迭代过程中对每次迭代的振幅进行加权反馈修正,在加快收敛速度的同时,减少误差,同时实现高效率和高信噪比。利用该算法对光刻需要的传统、四极照明光瞳、定制照明光瞳的DOE进行了设计,结果表明,实现传统和四极照明光瞳的16阶量化相位DOE的衍射效率均超过92%,而非均匀性分别为3.98%和2.3%。实现定制照明光瞳的DOE的衍射效率为91%,图形恢复误差为5.8%。该方法为获得高性能深紫外DOE提供一条可行的途径。     

一种适用于多波长的衍射元件设计方法

传统的衍射光学元件(DOE)设计方法只适用于单个波长,但在全息投影显示、彩色图像生成等领域中往往需要多个DOE,系统较为复杂,很大地限制其应用范围。提出了一种新的DOE设计方法,利用该方法设计所得的单个DOE可以在多个波长的入射光下实现特定光场的输出。针对每个输入波长分别设计对应的DOE,以最长波长的DOE高度作为初始高度,结合加工工艺限制对该高度进行优化,使得每个入射波长对应的单波长DOE高度分布和多波长DOE高度分布之间的等效误差总和最小。利用该方法设计了用于彩色图像生成的DOE,分析了相关参数的取值范围对衍射效率和均方根误差的影响,并在最佳取值范围内进行了相应的数值仿真,仿真结果证明了该方法的可行性。     

衍折射设计用于均匀照明的衍射光学器件

 在工艺上衍射光学元件是通过相位板来实现的,由于其多台阶化产生的不连续性,会对目标光场产生sinc调制,产生高级次衍射斑,损失了15%或者更多能量。通过对设计衍射光学器件的传统的IO迭代算法进行了研究,提出了一种与衍折射相结合的设计方法,在衍射光学器件的部分区域形成一块连续相位区域,减少了相位片台阶化区域的光强和衍射斑的强度。通过逐步变化连续相位对输出光强情况的影响的研究,可以优化相位参数,使入射到输出面的光束保证一定匀滑性的前提下,提高目标光场区域的衍射效率达到90%以上,能够满足均匀照明的要求。     

光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响

衍射光学元件（DOE）对入射光束的波长、束宽、光束质量等参数都有很高的要求,其中光束质量的影响无法直接通过相干光场的衍射积分得出。本文利用高斯谢尔模型（GSM）光束分析了光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响。采用对称迭代傅里叶变换算法设计了输出平顶光斑的DOE。用模式分解的方法研究了不同光束质量的光束经该DOE后的输出光斑,发现光束质量因子增加会使输出光斑平顶区尺寸减小,导致DOE失效。从交叉谱密度出发,表明DOE的输出光斑是相干部分和非相干部分的卷积,其中非相干部分是导致输出光斑劣化的原因。给出了平顶衍射光学元件适用的最大M2因子与输入和输出光束尺寸之间的关系。给出了一种GSM光束整形DOE的设计方法,该方法有助于在低光束质量激光器中实现DOE的应用。     

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。     

基于改进GS算法设计DOE制备紫外波段微米级均匀光斑

利用衍射光学元件（DOE）对紫外激光进行相位调制，可在远场衍射获得微米级均匀光斑。该方法的优点为：可灵活设计均匀光斑的形状、尺寸；具有较高的能量损伤阈值，适用于高功率光源。DOE设计的难点在于制备微米级均匀光斑的同时，兼顾陡度、均匀度等参数指标。基于解析法设计DOE生成的均匀光斑过渡区陡度变化缓慢，可有效利用的均匀区域较小，不适合制备小尺寸均匀光斑。此外，基础Gerchberg-Saxton(GS)算法制备微米级平顶光束，整形效果不明显，均匀度无法满足应用要求。将基础GS算法收敛结果作为改进GS算法的初始相位，改进GS算法在频域设置信号区和噪声区，并限制频域振幅分布，在理论上具备可行性。分析了离焦误差影响，并进行了实验验证，发现实验结果与理论结果具有一致性。     

强激光系统光学元件波前相位梯度分析

 介绍了在高功率固体激光系统中用于评价光学元件对光束聚焦特性影响的参数——波前相位梯度及其检测原理和计算方法，并与常用的光学元件评价参数P V值、RMS值以及新引入的评价方式——PSD进行了比较。得到了高功率激光系统中几种典型光学元件的相位梯度分析结果，结果表明利用相位梯度分析方法能够有效的对光学元件的加工质量进行评价。     

用于激光数字投影显示系统的匀光整形元件设计

激光光源在数字投影显示系统中的使用日趋广泛并成为未来发展的方向之一。衍射光学元件(DOE)用于激光数字投影系统,可利用其整形能力强、匀光性能好、体积小的特点实现空间光调制器件的高效率均匀照明,并有利于投影系统照明光路简化,提高系统集成度。基于傅里叶变换的分步迭代方法进行了该类DOE元件的优化设计。DOE采用16台阶位相结构,设计结果实现了激光整形、匀光功能,其照明能量利用率达到85%以上,照度均匀性优于90%,与目标光强分布的均方根偏差小于7%。     

利用相位差异技术校准非共光路静态像差

提出了一种用相位差异(PD)技术对自适应光学(AO)系统的非共光路静态像差进行校准的方法。相位差异技术通过采集焦面和离焦面的单帧或多帧短曝光图像来估算波前相位畸变,同时对目标图像进行恢复。在闭环工作条件下,自适应光学系统利用相位差异算法在线检测成像光路的静态像差,并将得到的像差系数转化为变形镜的初始化面形,从而补偿非共光路的静态像差。实验结果表明,校准后的成像质量显著提高,目标半峰全宽降低了约14%,系统残差降低了约72%。成像光路在线检测得到的系统残差与闭环回路实测残差的水平趋于一致,证实了相位差异技术应用于光学检测的能力。该方法具有在无需改变原有自适应光路以及高信噪比条件下便可精确解算系统像差的优点,是大口径光电成像系统较为理想的光学检测技术之一。     

基于超表面的多光谱成像系统设计

超表面是一种人工制造的亚波长结构阵列平面,重量轻,易集成,可实现多种功能,被广泛应用于诸多领域。传统光谱成像系统依赖于色散元件及光程累积相位差实现不同波长的色散与聚焦,无法满足系统集成化需求。不同于传统光学元件依赖电磁波在介质中传播累积相位差,超表面依靠界面相位变化来进行相位调控,可实现十分轻薄的光学系统。研究传输相位型超表面,使用时域有限差分算法(FDTD算法)优化单元结构。将超表面引入光谱成像系统中,通过优化亚波长结构尺寸,进行结构排布,开展超表面光谱成像系统研究,实现多波长色散与聚焦独立调控。利用该方法,扫描不同单元结构参数对相位的影响,依照聚焦的相位分布针对不同波长设计对应的位相分布,仿真实现了一个波段范围为510～720 nm,焦距为2 mm,谱段数为八个的超表面多光谱成像系统。通过电磁仿真软件FDTD solutions和数据处理软件计算全模结构电场的远场分布,并分析了系统的成像性能。相比于传统光栅或棱镜分光结构,超表面光谱成像系统可有效减小系统体积,其超轻、超薄、便携特点解决了现有光谱成像系统的应用局限性,为小型化、轻量化光谱成像系统的研制提供了一种新的解决方案。     

投影光刻离轴照明用衍射光学元件的矢量分析

使用衍射光学元件(DOE)作为投影光刻照明系统实现离轴照明(OAI)的光束整形匀光器件,能够在保持较高照明效率的基础上精确控制OAI光束的形状及光强分布.在矢量角谱传输方法的基础上,建立了投影光刻用DOE的矢量分析模型,并对标量方法设计的DOE在偏振照明情况下的匀光与整形性能进行了分析.分析结果表明DOE在大角度衍射、...     

基于迭代修正的液晶相控阵激光雷达波控数据获取

分析了影响液晶相控阵波控数据获取的几个关键因素,在此基础上通过计算期望相位面与实际相位面的相位差,提出一种基于迭代修正的波控数据获取方法,该方法可通过改变加载在液晶阵列上的参考电压或改变参考相位面实现。讨论了算法关键参数的选择。通过仿真进一步研究了液晶特性曲线范围和高斯初始相位对波控数据获取的影响。仿真结果表明:该方法能获得比较准确的波控数据;液晶特性曲线范围对波控数据的准确获取非常重要,当曲线范围较大时,液晶相控阵可补偿高斯光束引入相位的影响。     

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

子孔径拼接干涉检测实验研究

为了满足国内ICF系统大口径光学元件的检测需要,提出了子孔径拼接干涉检测的方法。该方法是利用小口径干涉仪对大口径光学元件进行高精度波前检测。建立了拼接检测计算的模型。利用最小二乘法计算得到拼接参数,从而恢复大口径光学元件的全孔径波前相位分布。在理论分析的基础上设计了一套检测装置,对该装置的稳定性进行了实验研究。进行了两口径拼接检测的实验。拼接结果与全孔径检测结果进行了比较。结果表明,该检测方案能够满足大口径光学元件的检测要求。     

波前编码成像系统景深延拓扩展率的研究

研究三次相位板的波前编码光学系统,发现在一定的条件下系统调制传递函数(MTF)对波前编码系统的离焦不敏感,才能得到波前编码系统的景深.对比传统光学系统的景深,得到波前编码系统的景深延拓扩展率的表达式.分析空间频率取值范围和三次相位板系数α,发现当a=20π时,波前编码系统可以将传统光学系统的景深扩大60倍以上.     

用于共孔径相干合成的衍射光学元件设计

分析了衍射光学元件实现共孔径相干合成的物理过程,建立了基于衍射光学元件的共孔径相干合成数学模型,推导了合成光束复振幅与入射光束和衍射光学元件相位分布之间的关系。提出用合成光束强度分布的均匀性作为评价函数的优化方法,获得了一维衍射合束器的相位分布。与文献报道的衍射光学元件分束器相比,可获得更高的合成效率。采用模拟退火算法结合随机并行梯度下降算法优化合束器设计,提高了计算效率,获得了多束衍射合束器的相位分布和合成效率。分析了单子束失效及合束器像差对合成效率的影响,结果表明:随着合束数量的增加,单子束失效对合成效率的影响逐渐减小;若使合成效率退化小于5%,衍射光学元件的波像差均方根值应控制在λ/28以内。     

紫外超短脉冲激光的单次测量

 利用瞬态光栅衍射法研制了一台单次频率分辨光学开关激光参数测量仪,可以对脉宽范围在10 ps以内的紫外超短脉冲激光进行单次测量。利用该仪器对重复频率为10 Hz的放电泵浦和单次运行的电子束泵浦KrF准分子激光器的输出脉冲分别进行了单次测量,结果表明：对于放电泵浦,当系统工作在零啁啾附近时,脉冲波形和光谱分布较规则,相位分布起伏较小,当系统偏离零啁啾状态时,脉冲波形和光谱分布不再规则,并且相位分布为抛物线结构;对于单次运行的电子束泵浦,脉冲波形具有多峰结构,光谱具有复杂的调制,脉宽约为2 ps,带宽约为1.3 nm,相位分布为抛物线结构。     

基于瑞利-索末菲积分的大衍射角衍射光学元件设计方法

针对现有的衍射光学元件设计方法只适用于小角度衍射的情况,本文提出了一种基于瑞利-索末菲衍射积分的设计方法,可以用来设计具有大衍射角的衍射光学元件。先对目标光场进行坐标变换和强度调整,再利用改进的Gerchberg-Saxton算法优化得到衍射光学元件的相位分布。分别采用本文方法和原有的基于夫琅禾费衍射积分的方法设计衍射光学元件实现线条结构光和不同角度方框图形的光场重构,结果表明:原有的设计方法只适用于衍射角全角小于25°的情况,当衍射角大于25°时,重构光场会出现显著的枕形畸变和不均匀的强度分布。而本文方法在小角度和大角度衍射下都能重构出准确的衍射角和较为均匀的强度分布.