菲涅耳型衍射光学元件的研究

本文在衍射理论基础上,深入分析了菲涅耳型衍射光学元件的特性,针对连续及二元浮雕结构,建立了位相深度因子(M),波长匹配系数(α)与衍射效率的关系式,对影响衍射效率的因素进行了讨论.研究了设计与工艺的匹配问题,建立了数值孔径,最小特征尺寸与衍射效率的关系,为不同波段衍射光学元件的应用,及设计和评价衍射光学元件提供了有效的理论方法.本文最后举例分析了用于白光波前传感器中的小数值孔径微透镜列阵的性能,并对衍射效率及传递函数两个综合指标进行了测量.     

高数值孔径聚焦三维光链的研究

通过设计衍射光学元件对入射矢量光进行调制，在高数值孔径聚焦系统焦点附近产生沿光轴方向的三维多点光俘获结构——光链.并针对不同的入射矢量偏振、聚焦透镜的数值孔径以及衍射光学元件结构，对光链性能的影响分别进行了系统的分析，实现对该独特光俘获结构的可控性研究. 关键词： 衍射光学元件 矢量光 光镊     

点衍射波前无镜头干涉测量中横向偏移误差校正方法

为了最大程度减少误差环节,点衍射球面波前精度的干涉测量中通常采用无镜头测量方式。点衍射干涉波前在大数值孔径与大横向偏移量情况下存在的结构误差将严重影响测量精度,且无法利用传统方法加以校正。针对该问题,提出了一种基于三坐标重构以及对称偏移补偿的点衍射干涉波前测量中结构误差的高精度校正方法,以实现对大数值孔径及大横向偏移点衍射球面波前无镜头成像测量中的结构误差校正。该方法首先采用三坐标重构方法对系统误差进行预校正,再针对干涉中点源横向偏移引入误差存在的对称性,采用对称横向偏移补偿对由三坐标重构误差而引入的残余结构误差进一步校正。分别进行了数值仿真和测量实验对所提出方法的可行性进行了验证。结果表明,该方法达到了λ/10000的校正精度,对于点衍射球面波前高精度测量标定以及非镜头成像干涉检测中结构误差的高精度校正具有重要的应用意义。     

偏振对光学系统成像质量的影响

通常情况下,评价光学成像系统像质的几个重要参数,如能量集中度(Strehl比)、分辨率、焦深等,都是以标量衍射理论为基础进行计算和分析的.考虑光波的矢量偏振特性,尤其是在高数值孔径系统中,标量衍射的精度已不能满足精度要求.本文讨论了在采用矢量衍射计算方法基础上,上述成像参数的变化,所讨论系统入瞳面各点为偏振方向一致的线偏光或部分偏光,以便于考察偏振对所述成像参数的影响,通过公式推导和数值计算,得出了由于偏振的影响.系统衍射斑能量极大值变小,像面和偏振平行方向分辨率降低,分辨率出现各向异性,只有系统焦深受偏振影响较小.而这些矢量效应会随着系统数值孔径的提高而愈加明显,因此在分析处理数值孔径较高的光学系统时必须使用矢量衍射方法.最后讨论了轴外点衍射斑的计算.     

亚波长孔径光纤点衍射波前质量分析

利用亚波长孔径光纤点衍射可同时得到大数值孔径和高亮度的点衍射球面波前,进而解决了针孔点衍射和单模光纤点衍射中分别存在的点衍射波前能量微弱和最大孔径角小的不足。基于矢量衍射理论的时域有限差分(FDTD)方法对点衍射球面波前质量进行仿真分析,研究了亚波长孔径光纤的孔径、锥角、镀膜厚度、数值孔径范围等因素对点衍射波前误差、最大孔径角、能量透射率和强度分布均匀性的影响。仿真结果表明,当亚波长光纤孔径为0.5μm,点衍射波前最大孔径角超过90°,能量透射率大于29%,对应数值孔径为0.60的点衍射波前误差均方根(RMS)值优于0.0011λ。仿真结果验证了用亚波长孔径光纤点衍射实现大数值孔径和高亮度的点衍射球面波前的可行性,并为实际系统中亚波长孔径光纤的相关参数的选择提供了精确的数值依据。     

飞秒脉冲通过多层体光栅后的衍射光强分布

基于单层体光栅的耦合波理论和矩阵光学知识,推导出飞秒脉冲通过多层体光栅衍射后的耦合波方程,并由此得到衍射光强谱和瞬时衍射效率表达式.研究结果发现衍射光强谱和瞬时衍射光强分布是与多层体光栅的结构参量,如中间填充层厚度、光栅层厚度、光栅常量及体光栅材料的折射率调制度有关系的.通过调节这些参量,获得了不同形状和不同宽度的衍射脉冲.该结果可用于设计基于多层体光栅的光通信和光脉冲整形器件.     

基于衍射光学器件的多自由度测量仿真研究

提出了基于衍射光学器件的单光束多自由度测量的新方法。描述了该方法的基本原理,建立了相应的激光干涉系统的数学模型,设计了一种能够产生多自由度测量信息的衍射光学器件。分析了干涉场光强信号特征与目标各平动和转动量之间的关系,给出了仿真计算结果。该方法原理简单,测量效率高,并能提供较高的测量分辨率和测量精度。     

高数值孔径聚焦系统中的光学参量对三维双光链的影响

设计了衍射光学元件,利用该元件对入射的角向偏振拉盖尔-高斯矢量光束进行调制,在高数值孔径聚焦透镜的焦平面附近获得了沿光轴方向成对的三维多点光俘获结构——双光链。分析了入射光束的参数(缔合拉盖尔多项式的拓扑荷数和径向模数以及光束的拦截比)、衍射光学元件的内外环结构和聚焦透镜的数值孔径对双光链的影响。结果表明,改变拓扑荷数和径向模数会破坏双光链结构,通过调节拦截比和衍射光学元件的结构可重新获得双光链,从而实现对双光链结构的高自由度控制。     

点衍射干涉仪中小孔衍射波面误差分析

针孔或光纤直径的大小是影响点衍射干涉仪检测精度的重要因素,在实际检测中须根据检测任务的精度要求来选择小孔的尺寸.基于标量衍射理论,仿真计算了小孔尺寸引起的衍射波面相对标准球面偏离的误差.结果表明,当小孔直径为2.5μm,数值孔径(NA)为0.3时,与小孔有关的光学系统误差峰值(PV)约为0.07 nm.仿真方法和计算结果为针对各种高精度面形检测任务而设计点衍射干涉仪和分析其精度提供了理论和数据参考.     

基于高阶角向偏振拉盖尔高斯涡旋光束强聚焦的三光链结构

依据角向偏振涡旋光束强聚焦有径向分量的结论,修正了角向偏振涡旋光束的强聚焦场公式,重新研究了高阶角向偏振拉盖尔高斯涡旋光束经过衍射光学元件和高数值孔径透镜后的强聚焦特性。结果发现,在焦平面附近获得了新的三维三光链结构(沿着光轴方向的一条三维主光链和对称的两条三维傍轴次光链),详细分析了入射光束缔合拉盖尔多项式的径向模数和光束的拦截比、衍射光学元件结构和聚焦系统的数值孔径对三光链的影响。结果表明,径向模数的改变会破坏三光链结构,通过调控衍射光学元件结构和拦截比可以重新获得对称性更高的三光链结构,从而实现对三光链结构的高自由度调控。     

Measurement Accuracy in Phase-Shifting Point Diffraction Interferometer with Two Optical Fibers

A phase-shifting point diffraction interferometer (PS/PDI) with point sources of two single mode optical fibers has been developed, which will be appropriate for the surface figure measurement of large aperture optics on a sub-nanometer scale. To reduce the measurement error factors, a fiber optic plate (FOP) is used as a projection plane for interference pattern. Errors caused by imperfection of optical alignment, such as position of point sources and tilt of FOP, are minimized by analyzing the measured phase data with an original method. Measurement accuracy in the PS/ PDI is estimated with the interference pattern produced by the two optical fiber sources. If inhomogeneity of the FOP and a systematic error of the PS/PDI are eliminated, the measurement accuracy of the present system is estimated to be less than 4nm P-V and 0.7nm rms, respectively, at a measurement wavelength of 632.8 nm.     

照明物镜像差对远场衍射波前质量影响的严格矢量分析

点衍射干涉仪(PDI)中衍射参考球面波的质量受照明物镜像差和小孔的质量、状态的影响。基于矢量衍射理论,分析计算了可见光经过带像差的照明物镜聚焦后经过有限厚度具有实际电导率小孔板的衍射。分析了照明物镜像差对远场衍射波前质量的影响,确定了PDI检测极紫外光刻(EUVL)元件和系统时的最佳直径大小。分析计算得出,当用PDI检测数值孔经(NA)为0.3的系统时,采用直径大小为800nm的小孔较为适宜,其衍射波前均方根(RMS)偏差为6.51×10-5λ,强度均匀性为0.812。当用PDI检测NA为0.3的元件时,采用直径大小为500nm的小孔较为适宜,其衍射波前的RMS非对称偏差为8.40×10-5λ,强度均匀性为0.664。     

小孔阵列衍射特性与应用

以单色标量波衍射理论为基础,研究了均匀平面波从不同角度入射小孔阵列的衍射特性。运用单孔衍射理论,同时考虑相邻小孔间衍射光强的相互影响,建立了小孔阵列衍射的理论模型和光强分布的数值积分式,小孔为硬边小孔。利用Matlab对500 nm波长的平面波入射微小方孔阵列衍射图样进行了计算机仿真,得到了不同几何参量下平面波从不同角度入射时的衍射图样的一维和二维光强分布图,并将仿真结果用于微型数字式太阳敏感器的光学系统中的结构参量设计和图像处理中的参量确定。太阳敏感器的成像实验结果表明,小孔阵列衍射光强分布图的仿真结果正确、太阳敏感器光学系统参量设计合理。小孔阵列衍射理论为太阳敏感器的光学系统设计和图像处理提供了可靠的理论基础。     

基于相位复原技术测试高数值孔径光学成像系统

干涉测量的方法已被广泛应用于光学系统的波前测试中。但是由于高数值孔径的标准具加工成本高、风险大,使用干涉测量的方法对高数值孔径光学系统进行测试存在困难。运用相位复原技术对高数值以小孔衍射光束作为高精度测试基准波前进行孔径光学系统波前测试,可以解决上述问题。对不同频率波前形成的点扩散函数模拟,分析了实际测试所需的实验条件。由于缺乏高精度的对比实验条件,引入一种新的误差分析方法,搭建检测平台完成对显微镜光学系统的波前测试。通过验证实验,证明了该测试方法的可靠性。     

子孔径布局对拼接光学系统像质的影响

 由衍射理论模型出发,分析了子孔径布局对光学系统点扩散函数的影响,从而进行傅里叶变换计算出其对光学系统光学传递函数的影响|并由光学设计软件内嵌程序将子孔径布局实际地加入到设计的光学系统中,分析各种不同子孔径布局对光学系统像质的影响.通过由衍射理论出发的计算结果与设计软件内嵌程序的模拟仿真结果的对比,软件内嵌程序的模拟仿真结果得以验证.针对子孔径布局对具有相同相对孔径光学系统的影响进行了仿真计算,对与子孔径拼接原理样机具有相同相对孔径和中心遮拦比的反射式光学系统,针对相同孔径布局对其光学传递函数的影响进行了实际测试,通过仿真计算结果与测试结果的对比分析表明,孔径布局对具有相同相对孔径拼接光学系统的光学传递函数影响趋势一致的结论,从而为子孔径拼接原理样机研究的实用性及像质检测提供了理论依据.     

高能拍瓦激光系统中大口径离轴抛物面聚焦特性研究

为进行快点火实验,需对高能拍瓦激光聚焦系统中的核心元件即大口径离轴抛物面,进行深入量化研究,以便对其结构选型和精密调整提供准确的理论依据。利用基于严格的矢量衍射理论的数值计算方法,并结合像差分析得到了大孔径、大离轴量的抛物面镜(OAP)的物理光学成像特性。首先用理想平行光入射,得出OAP的三维平动公差与其焦深密切相关,OAP绕旋转对称轴的转动可归结为平动问题,其公差与焦深也有简单关系;入射光轴失准时,像散占主导作用,并可由一结构因子来定性描述其对像斑的影响。其次当入射光有一定的发散角时,除引起最佳像面位置变化外,还会由于OAP不对称性而引起的彗差使得像斑的峰值光强大大降低,并论述了OAP的结构参数对此的影响。     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

Propagation characteristics of linearly polarized Bessel-Gaussian beams through an annular apertured paraxial ABCD optical system

By means of Collins diffraction integral formula in the paraxial approximation and based on the fact that a hard aperture function can be expanded into a finite sum of complex Gaussian functions, an approximate analytical expression for linearly polarized Bessel-Gaussian beams passing through a paraxial ABCD optical system with an annular aperture has been derived. The results provide more convenient for studying their propagation and transformation than the usual way by using diffraction integral directly. By using the analytical expression and the diffraction integral formula some numerical simulations are done to illustrate for the propagation characteristics of a linearly polarized Bessel-Gaussian beam through an optical system with an annular aperture.     

高斯光束通过含失调窄缝光阑的失调光学系统的传输特性

 利用硬边窄缝光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了高斯光束经含失调窄缝光阑的失调光学系统传输的近似解析式。模拟结果表明输出光束场分布与光束参量、光阑尺寸、ABCD矩阵元、光阑失调量和光学系统失调量有关。针对给定的光学系统和高斯光束定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明:光阑横向位移、光学系统横向位移和角位移均引起垂直于z轴截面内明显的光强非轴对称分布。当光阑半宽度为1 mm时,光阑的衍射作用使腰斑半径为0.5 mm的高斯光束产生-1.586π～1.465π范围的相对相移,且光阑横向位移、光学系统横向位移和角位移均引起焦平面前后相对相移的迅速变化。随光阑宽度变小,各失调量对输出光束特性的影响越明显。