分频光栅的衍射特性及误差分析

 基于标量衍射理论推导出了分频光栅的各级衍射效率公式，分析了分频光栅的衍射特性，发现入射光波在满足相应的相位延迟条件时，能被分频光栅以最大效率衍射进３个中央级次中的某一级。分析和比较了两种制作工艺中的刻蚀深度误差、占空比误差对衍射效率的影响。在惯性约束聚变（ICF）应用中，对于同一要求的３倍频光的衍射效率范围，两种工艺的刻蚀误差容限是相同的，但是两种工艺的相同刻蚀误差却带来不同的衍射效率。在不计其它误差时，占空比误差不会对３倍频光的衍射效率产生影响，但可以对基频光和2倍频光产生相反的影响，占空比误差还可以使基频光和2倍频光的主要衍射级次的效率都降低，同时增大它们的0级衍射效率。     

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。     

用于ICF的分频光栅的耦合波分析

用严格的耦合波理论分析用于分频的闪耀光栅验证标量理论结果的实用性.计算结果同标量理论结果进行比较表明,在提高光栅分辨力的现有指标情况下,闪耀光栅具有良好的分频效果.并同时给出了严格的耦合波理论中的截断误差对最终结果的影响.     

拼接光栅对压缩系统中的误差补偿

 根据失调拼接光栅对压缩系统模型,推导了拼接误差引起的角色散公式。针对光栅拼接中的转角误差和光栅常数误差,得到了误差间的相互补偿关系式,并对补偿方式进行了讨论。研究结果表明：绕光栅平面内垂直于刻线方向的转角在一定范围内可以补偿绕光栅厚度方向旋转造成的误差;绕光栅刻线方向的转角可以补偿光栅常数不同造成的误差;绕光栅平面内垂直于刻线方向或绕光栅厚度方向的转角在一定范围内也可以补偿由光栅常数不同造成的误差。前两种补偿方式的补偿效果较好。     

刻划光栅刻线弯曲误差在线修正技术研究

刻划光栅存在刻线弯曲误差，将直接影响光栅的衍射波前质量。通过构建光栅刻线弯曲误差与衍射波前的映射关系，搭建了光栅刻线弯曲误差的实时测量光路，论述了光栅刻划机主动控制技术原理，将光栅刻划机主动控制技术用于光栅刻线弯曲误差的在线补偿。通过对比光栅刻划实验验证该方法的可行性。上述方法能够准确提取并有效补偿光栅刻线弯曲误差，将光栅衍射波前由0.074 λ提高到0.038 λ，提高了48.6%，同时有效地解决了光栅表面弯曲问题。其研究结果可用于提高机械刻划光栅质量，具有重要的理论及应用价值。     

一种高灵敏度的新型光纤光栅倾角传感器

为实现结构的长期安全监测，设计了一种杠杆原理与摆锤结构相结合的光纤光栅倾角传感器，并在此基础上进行了理论分析、数值计算和传感器性能测试。对比分析了数值计算和实验结果，发现二者具有较好的一致性。为增大传感器的灵敏度，对传感器的尺寸参数进行了设计。考虑到光纤光栅与金属材料之间的锚固效率和传感器的制作工艺要求，综合给出了效果最佳的组合值。实验结果表明，所提光纤光栅倾角传感器的有效监测范围为-5°～5°,传感器的灵敏度为359.04 pm/(°),线性相关度可达0.999,测量重复性误差为3.433%。此外，所提光纤光栅倾角传感器降低了温度对角度测量的影响，适用于温度变化较大且精度要求较高的工作环境，有良好的应用前景。     

双层交叉叠合式共振亚波长光栅

提出了一种防伪光栅结构-双层交叉叠合式共振亚波长光栅,其特点是可以展宽共振亚波长光栅的共振波长宽度,使得当将其应用于防伪时能得到更佳的光变效果。分析了半峰全宽展宽的原理,指出共振宽度值的大小依赖于耦合到光栅波导层内一级衍射光的能量。优化设计了此种光栅的结构参量。用矢量衍射理论对该结构的共振特性和制作工艺误差进行了研究。研究表明：这种防伪光栅的共振光谱峰值并不随着入射角的改变而降低,共振半峰全宽最大值约为同等条件下基本共振光栅结构的7倍,该结构的共振性能对光栅制作误差不是很敏感,是一种应用价值较高的防伪光栅结构。     

光栅投影测量系统中的相位误差校正算法

依据光栅图像的相位单调增长特性,提出了一种基于最小二乘法的单调光顺算法进行光栅相位误差校正。详细分析了光栅图像的相位单调特性和相位误差,以光栅图像相位的单调性为约束条件,改进了传统的最小二乘拟合方法,对绝对相位图进行相位误差校正。实验结果表明,该方法降低了投影仪伽马非线性造成的相位误差,误差减少60%以上,校正后的绝对相位具有光滑性良好的优点。     

圆光栅测角系统误差分析与修正

为了提高测角系统的测量精度，基于误差的特性和表现形式，从谐波角度对测角系统中的刻划误差、光电信号误差、偏心误差、倾斜误差和变形导致的误差建立相应的数学模型，并对偏心误差和倾斜误差进行仿真分析。搭建了金属圆光栅测角系统，对系统中的误差进行了分析和修正。实验结果表明:测角系统测角误差为134.2″，修正后误差为32.23″，圆光栅测角系统误差分析为后续的误差补偿提供了理论基础。     

1700 线/mm镀金光栅的拼接理论和实验研究

提出了一个能够实时地监控拼接光栅状态的方案；理论上论证了氦氖光不能用来实时监控1740线衍射光栅的光栅拼接实验；提出了一种选择监控光波长的方法，使得拼接光栅的各种误差对于主光束和监控光的影响是一致的，并且通过实验进行了验证. 关键词： 拼接光栅 刻线密度误差 实时监控 光栅对压缩池     

High-efficiency spatial color separation method based on fractional Talbot effect

Based on fractional Talbot effect, Talbot grating is adopted to realize spatial color separation with high light efficiency. For red and green colors, a two-step Talbot grating is optimized and the light efficiency reaches over 95%. The two-step Talbot grating is fabricated and tested. Experimental results show that the Talbot grating indeed has the good ability of spatial color separation.     

High-efficiency color separation method based on fractional Talbot effect for color liquid crystal display

Based on the fractional Talbot effect of Talbot grating, a new method with high light efficiency for color separation in color liquid crystal displays (LCDs) is proposed. The light efficiency of 85% and 89% are obtained by three- and four-step Talbot gratings, respectively, which are rather higher than that of using color filter, the traditional color separation method in color LCDs. This method has large tolerance to the position error of the color separation plane, the wavelength changes of red, green and blue colors, and the step height errors of the gratings.     

基于双光栅成像的RGB模型色彩还原效果的研究

基于双光栅衍射成像的实验方案,利用双光栅的色散和汇合光谱效应特性,用电脑摄像头拍摄作为物体的RGB模型,得到了RGB颜色模型的像。利用Photo shop软件将RGB颜色模型和得到的像进行颜色通道分离,再进行数据化分析处理,探究双光栅的RGB色彩模型色彩还原情况以及不同光栅组合对RGB颜色模型的色彩还原效果的影响。     

用于彩色液晶显示器的色分离光栅的优化设计

利用光栅实现液晶显示器中的色分离可以提高液晶显示器对光能的利用率。为了提高光能利用率,对光栅台阶数进行了优化设计,经矢量衍射理论计算,优化后的多台阶色分离光栅的能量利用率达到了65.3%,与采用滤色片的方法相比,光能利用率提高了近一倍;与三台阶相比,光能利用率提高了9.3%。     

Polarization and Color Separator Using Binary Phase Grating with Subwavelength Period

A data projector using three liquid crystal display panels has a complex optical system. The illuminating optics separate the beam from a light source into three primary colors and separate those into opposite polarizations using multi-layer films and prisms. A reflection grating with the period of subwavelength has high diffraction efficiency for p polarized light and high regularly reflectance for s polarized light. The diffraction angle of a grating largely depends on the wavelength, because a diffractive optical element (DOE) has large chromatic dispersion. The grating with the period of subwavelength can separate the unpolarized light into polarization components effectively using its polarization dependency and can separate white light into color components using its chromatic dispersion simultaneously. The grating makes the optical system simpler and smaller than those with conventional devices. In this paper the efficiency of polarization separation for the grating is calculated by a rigorous analytical method. Next, the condition for color separation is calculated by Snell#x0027;s law, and an optical system using a grating that performs polarization and color separation is proposed. Experimental results of the DOE fabricated are well matched with those of this simulation.     

相位光栅分离双波长宽角度光线的理论分析

使用衍射光栅的分色分光方式一般以平行光入射情况为讨论基础,对于非平行光入射的情况讨论较少.本文基于菲涅尔衍射理论和角谱理论,将球面波与平面波的衍射波场联系起来,从而在传播函数中引入角度参量,结合分数泰伯效应的理论基础,推导出双波长宽角度入射光线经相位光栅衍射后的波场分布函数,并对推导出的函数进行数值模拟,得到像面不同位置衍射波场分布.与平行光入射时的标准波场分布相比较,得到宽角度入射时的衍射波场的横向展宽量和偏移量.通过调节光栅台阶的宽度,改变衍射场的展宽和偏移,使各个单一波长的衍射波场宽度小于光栅周期的一半,从而减少双波长光衍射波场的混叠.同时本文给出波场宽度与光栅台阶宽度的变化关系,选取光栅面上多个位置作为台阶宽度的计算点,并对整个光栅的台阶宽度进行曲线拟合,得到可以使双波长宽角度入射光实现良好空间分离的光栅参量.该结果可用于各类宽角度入射光线的光谱分离场合,如双波长成像、液晶显示和液晶投影等.     

刻线误差与面型误差对平面光栅光谱性能影响的二维快速傅里叶变换分析方法

光栅刻线误差与基底面型误差影响平面光栅衍射波前、分辨本领、鬼线、卫线及杂散光等光谱性能,研究光栅性能指标与光栅刻线误差及基底加工误差之间的因果关系,对提高光栅质量极为重要。根据光栅衍射中产生的源于刻线误差与面型误差的光程差,推导出了在光栅锥面衍射情况下的光栅刻线误差、基底面型误差、入射角θ、衍射级次m与衍射波前关系的数学表达式,得到构建非理想光栅衍射波前的理论模型。以理论模型为依据,采用干涉仪测量光栅对称级次衍射波前,实现在测量结果中对光栅刻线误差与基底面型误差的分离,并基于二维快速傅里叶变换分析光栅衍射波前,考察了刻线误差与面型误差对光栅性能指标的影响。借助此方法通过重构的光栅衍射波前,分析光栅分辨本领、鬼线等光谱性能,还可以反演光栅全表面刻线误差与面型误差的大小,为光栅基底加工、光栅制造和使用技术提供理论依据。     

Design and analysis of multilayered structures with metal-dielectric gratings for reflection resonance and color generation

A multilayered structure incorporating a metal-dielectric subwavelength grating, with the characteristic of polarization separation for visible light and the capability of creating reflection resonance and distinctive polarization-dependent color effects, is proposed. Its reflection resonance and color for TE and TM polarizations are discussed, as well as the influence of its structural parameters on them. Moreover, a reflection filter with characteristics of red for TE-polarized light, green for TM-polarized light, and yellow for daylight is designed and fabricated by replacing its grating region with a sinusoidal grating, and its related characteristics also are verified. The structure and its properties can achieve practical applications in various fields, such as color security, image reproduction, color filtering, and polarization-based information hiding.     

Seya-Namioka单色仪中光栅曲率半径误差的影响及补偿

Seya-Namioka光栅制作过程中的曲率半径误差会引起离焦像差,该像差会对光栅单色仪的光谱性能造成极大的影响。本文基于光线追迹理论,模拟分析了曲率半径误差对Seya-Namioka光栅的具体影响。分析结果表明,出入臂长度对曲率半径误差有很好的补偿作用,通过调整出入臂长度曲率半径误差的容许范围可增大到2 mm左右。总调整量不变的情况下,任意改变出入臂的长度,补偿效果相似。随着误差的增加需要调整的出入臂长度值变大,过大的误差使用出入臂长度无法进行补偿;出入臂夹角仅能对正向曲率半径误差进行补偿,且补偿所需调整角过大,影响单色仪的结构设计,该方法并不实用。结果可为单色仪的设计和使用提供理论参考。