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.     

衍射光学元件的设计方法

衍射光学是基于光学衍射原理和利用计算机产生全息图和相息图（ｋｉｎｏｆｏｒｍｓ）以及微电子加工　　技术而发展起来的一个新的光学分支。衍射光学元件能够同时实现几种光学功能,从而实现光学元件的微型阵列化与集成化。着重介绍基于衍射标量理论、衍射光学元件的设计原理和相关的算法。通过简单的例子来说明设计的步骤和结果。     

微小孔衍射——近场光学理论

推导了圆孔衍射公式，该公式不受孔径大小和到屏距离的限制，可以作为近场光学的理论。它满足麦克斯韦方程标量形式和基尔霍夫边界条件，包括传播波和衰减波。数值计算表明，此结果优于用Ｂｅｔｈｅ模型所得到的近场理论的结果     

光学元件阵列的衍射理论分析

从菲涅耳衍射理论出发,分析了光学元件阵列的衍射成像性质,求得了其点扩散函数。进一步分析了光学元件阵列的综合成像性质,得到了阵列能够成综合像的条件。由相同光学单元组成的阵列在按一定的规律排列时可以成综合像,但一般只在一对固定的共轭面上有理想的综合像,而并非对于任意位置的物均有相应的综合像。 关键词：     

衍射光学元件设计方法综述

衍射光学元件（DOE）因其轻型化、小型化和多功能化等特点,在现代光学系统中得到了越来越广泛的应用。针对不同应用场景下DOE的性能需求,研究人员需要灵活运用DOE的设计方法进行设计。通过回顾DOE设计的基本原理简述了现有基于衍射原理和干涉原理的DOE设计方法,通过几种典型应用中的最新进展阐述了具体的DOE设计方法及其适用性,并对DOE设计中的难点及其在未来科技中的可能应用方向进行了展望。     

新型衍射光学聚焦透镜元件设计

近年来，随着衍射光学技术的发展和应用，利用衍射光栅进行光束的谐波分离成为各国研究的新热点。我们基于傅里叶模矢量衍射理论方法设计了一种聚焦透射光栅（FTG）元件，它需要3种光学元件（谐波分离光栅、光束取样光栅及聚焦透镜）将实现的功能集成于一体。FTG的结构类似于离轴的菲涅尔波带片，它能将入射的平面波聚焦到一点。由于FTG针对三倍频光设计，只有三倍频光通过它后会聚焦到一点，而基频和二倍频光将直接通过，从而同时实现谐波分离及聚焦功能，而利用反射光即可实现对三倍频光的取样，原理见图1。     

基于机器学习设计连续相位分布的衍射光学元件

将机器学习算法应用于设计连续型相位分布的衍射光学元件（DOE）,该元件可用于激光整形。将DOE的相位分布数据拟合为多项式,通过神经网络构建系统参数（如束腰半径、目标面的大小、DOE和目标面的距离等）与DOE相位系数之间的映射关系。基于这种关系,当给定一组系统参数,可以自动预测出DOE的相位系数。该方法克服了传统设计方法在参数改变时需要通过重新迭代来计算相位分布的局限性。研究了系统参数超出训练范围对预测精度的影响,分析了各个参数对预测能力的影响。结果表明：该方法在系统参数的训练范围内对相位系数的预测准确度均在99.9%以上。当所有参数在预先训练范围基础上正向和反向同时扩大80%和55%时,预测的准确度依然保持在99.5%和97.5%以上。研究也表明,目标面小于预定的范围对预测的准确度影响最明显。     

衍射光学元件衍射效率的测量

根据衍射光学元件衍射效率的测量原理,建立衍射光学元件衍射效率测量的双光路装置,简要介绍了双光路测量的优点。针对衍射光学元件衍射效率的测量装置,讨论了影响衍射效率测量精度的因素,合理地选择测量装置中的针孔光阑,即可以让主衍射级次的光全部通过被探测器接收,又可以滤掉次级衍射光,保证测量结果的准确度。针对所设计研制的一个折衍射混合成像光学系统,测量了可见光波段3个激光波长的衍射效率,并对测量结果进行了模拟和分析。在473～632.8nm波段范围内任意一个波长处,衍射效率的测量结果同理论值的偏差均小于5.0%。实验证明,双光路测量装置可以用于测量衍射光学元件的衍射效率。     

衍射光学元件的应用

本文主要介绍了衍射光学元件在激光系统、光学互连、波前探测、目镜设计和扫描系统上的应用，以及目前技术上的热点。     

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%。     

基于环形光束整形的衍射光学元件的精确设计

提出一种改进的Gerchberg-Saxton(G-S)算法,实现了基于环形光束的衍射光学元件的精确设计。所提算法可以确保输出平面上有小的采样间隔,起到了抑制散斑的作用;与未采用散斑抑制的常规的改进G-S算法相比,所提算法得到了更高性能的均匀光斑;仿真结果和实验结果一致。     

衍射光学元件设计中的插值迭代方法

在I-O算法的基础上提出一个适合于FFT迭代计算的DOE精细化设计方法.并对此方法进行了重复性计算实验.结果表明,这种精细化设计方法可以比较有效地改善设计目标的PV与RMS值,具有较好的可重复性,为后续的模拟退火优化提供了比较良好的初始位相结果.     

并行模拟退火算法优化衍射光学元件设计

模拟退火(SA)是解决复杂非线性优化问题的好工具,开发其并行性也成为近些年的研究热点和方向。针对衍射光学元件(DOE)的束匀滑应用,结合消息传递接口(MPI)并行编程方法,开发并实现了具有良好收敛效果和并行效率的SA算法。在8个中央处理器(CPU)的小型并行计算平台上进行了入射口径310mm、出射20阶超高斯0.4mm×0.8mm聚焦光斑的优化设计,使用不到原来1/6的时间就能获得比原串行算法更好的匀滑效果,从而验证了该并行SA算法的快速有效性。     

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.     

衍射光学元件热稳定性的分析

本文对折射元件和衍射元件的温度特性进行了分析,建立了透镜焦距和衍射效率随环境温度的变化关系,通过施密特红外望远镜系统的设计,比较了折射非球面与衍射光学校正板的温度特性对系统光学传递函数的影响,结果表明衍射光学元件具有较好的热稳定性.     

衍射光学元件的解析分析方法

从波动光学传播的菲涅尔衍射出发，探讨一次光学转换形成任意要求的图形的问题。导得两平行传播平面的函数关系，从而在确定像面分布的条件下可以逆求出原始面的振幅与倍相分布。文中给出了几个实例，充分表明这是有实用价值的一种衍射光学元件设计方法。     

衍射光学元件的效率研究

衍射光学元件的衍射效率是其在设计和应用时需要重点考虑的因素。用标量理论的方法分析可以得到较高的理论衍射效率。然而,标量理论所作的假定限制了其在高频衍射结构中分析结果的精确性,制作上的局限也降低了实际可能的衍射效率。讨论了标量分析的方法,并说明了怎样结合设计实际来实现对衍射效率的提高。     

衍射光学元件设计参数对束匀滑衍射效率的影响

经过理论推导,分析了320 mm口径衍射光学元件在束匀滑实验中光强分布出现高级次衍射斑和元件实际衍射效率变低的原因,模拟计算得到了接近实验的光强分布。模拟分析发现:通过调整设计参数,如适当增加抽样点数,使设计时焦斑主瓣占输出计算窗口的比例减小至0.2以下,可以大大降低由于高级次衍射斑造成的衍射效率损失,控制在2%以内,使台阶分布式相位片实际衍射效率得到提高,在对口径为70及320 mm的台阶分布式相位片样品测试中得到了验证。     

衍射光学元件设计参数对束匀滑衍射效率的影响

经过理论推导,分析了320 mm口径衍射光学元件在束匀滑实验中光强分布出现高级次衍射斑和元件实际衍射效率变低的原因,模拟计算得到了接近实验的光强分布。模拟分析发现:通过调整设计参数,如适当增加抽样点数,使设计时焦斑主瓣占输出计算窗口的比例减小至0.2以下,可以大大降低由于高级次衍射斑造成的衍射效率损失,控制在2%以内,使台阶分布式相位片实际衍射效率得到提高,在对口径为70及320 mm的台阶分布式相位片样品测试中得到了验证。     

多层衍射光学元件设计原理与衍射效率的研究

叙述了多层衍射光学元件的设计原理．通过对多层衍射光学元件结构、位相延迟表达式、材料选择匹配的研究,使得优化最大光栅高度后的多层衍射光学元件能够实现大幅度提高宽光谱范围内衍射效率的作用．其衍射效率在从g谱线（435．8343nm）到C谱线（656．2725nm）的可见光范围内的任何波长上的理论衍射效率均在999／6以上,带宽积分平均衍射效率为99．7％,能够满足高质量成像光学系统应用的需要,并利用该元件设计了长焦距复消色差物镜．