实现控制波前传播的纯相位衍射光学元件的设计

基于投影限制集算法（ＰＯＣＳ），设计出用一个纯相位调制的衍射光学元件实现控制光波前在三维区域之内的传播，将输入的高斯光束变换为沿纵向调制的等光强的２×２光束阵列。模拟计算表明，该算法在控制光波前传播方面是有效的。     

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。     

光学衍射变换对及其在衍射相位元件设计上的应用

本文提出并证明了瑞利－索末菲衍射积分反演公式，得出一种新的变换对－光学衍射变换对，据此对ＧＳ和ＳＴ算法进行了修正，利用修正算法了设计了衍射相位元件，结果令人满意。     

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。     

二元光学元件衍射效率的逐层分析法研究

提出了一种有效的分析二元光学元件衍射效率的新方法－逐层分析法，并对四台阶二元器件，就蚀刻深度误差和横向对准误差对器件衍射效率的影响进行了详细的分析和讨论，证明了用该方法分析含有横向对准误差的二元光学元件的衍射效率非常简便有效。     

用于衍射光学元件优化设计的遗传算法及其与模拟退火算法的比较

本文成功地将遗传算法运用于高维衍射位相光学元件的优化设计.并与模拟退火算法进行了比较.结果表明,该算法不仅对于二元,而且对于多元位相光学元件的优化疫计均是十分有效的.而且,它特别适用于利用光电混合处理系统进行优化计算.     

一维纯位相线成象衍射光学元件的计算

报道以一维平面阶梯条形纯位相结构，用等光程补偿的物理概念出发，计算了单线与双线象的衍射光学元件的多种构形，获得了与理想衍射线象符合的光强分布；同时发现双线象时会出现噪音光强小峰，这在精确成象时仍是要设法避免的．     

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。     

基于响应函数的大口径衍射元件光场调制分析

针对大口径衍射光学元件快速高精度分析难题,提出了基于响应函数的光场调制分析方法。首先,将衍射元件表面的微结构分解成多个台阶结构;然后,使用严格矢量理论方法计算台阶对入射光场的调制作用,并转化成阶跃响应函数;最后,利用相干合成原理将每个台阶的阶跃响应函数合成为微结构对入射光场的响应。分析了微结构最小线宽、响应函数作用范围和台阶定位误差等对计算精度的影响,并利用所提方法计算了不同口径衍射透镜的近场及远场分布。结果表明,即使存在25 nm的台阶定位误差,透镜远场的最大光强和衍射效率与严格矢量理论计算结果的差异仍然小于2%,同时计算效率提升了至少3个数量级,可见,所提方法可兼顾大口径衍射元件分析的精度与速度。     

产生多焦环的衍射相位元件设计的新方法

基于光学变换的一般理论，提出了一种产生多焦环的衍射相位元件的新设计方法，焦环的数目、位置和焦环的宽度可以任意设定．在高斯型激光束照明下进行模拟设计，并讨论了相位量化对结果的影响．理论计算表明，新的设计方法可有效地用于衍射光学元件的设计 关键词：     

Investigation of diffractive optical element for shaping a Gaussian beam into a ring-shaped pattern

To convert a given single-mode He–Ne laser beam into a ring-shaped intensity distribution, a diffractive optical element with 16 levels was designed by YG amplitude-phase retrieval and iteration algorithm. This beam shaper is investigated experimentally and compared with the results of the computer design. The results show good conformity, and the measured diffraction efficiency is 87.2%. In addition, the diffractive effect is observed when the distance between diffractive optical element and CCD is changed.     

多色光大空间带宽积傅立叶变换透镜系统的设计

本文根据傅立叶变换透镜系统的像差要求，通过研究衍射器件的色差特性和初级像差特点，提出了多色光大空间带宽积的傅立叶变换透镜的系统结构。此系统采用无光焦度的衍射器件校正傅立叶变换主镜的球差，使系统得到最大空间带宽积；还采用谐衍射器件的设计方法，使系统可对多种相干光实现光学傅立叶变换。相对传统傅立叶变换系统而言，此衍射系统结构简单，性能好，可望在光学信息处理方面得到广泛的应用。     

Three-dimensional dynamic optical manipulation by combining a diffractive optical element and a spatial light modulator

Since the introduction of computer-controlled spatial light modulators (SLMs), holographic optical tweezers have become an important tool for dynamic parallel optical manipulation. In this paper we clarify the usefulness of a new configuration for optical trapping that creates light patterns using the combination of a diffractive optical element (DOE) and an SLM. This configuration not only enables the use of the higher part of the SLM’s diffraction efficiency curve, because a simple hologram can be chosen for the SLM, but also achieves three-dimensional dynamic optical manipulation over a large spatial range. By switching blaze-like holograms displayed on the SLM, we demonstrated simultaneous transportation of three 6-μm-diameter polystyrene beads over a range of 90 μm in the vertical direction and 37.5 μm in the horizontal direction. Compared with the same manipulation executed using only the SLM, the range of this method is extended four-fold in the vertical direction and three-fold in the horizontal direction.     

折衍二元光学用金刚石车刀设计

栏光效应是影响折衍元件衍射效率的一个重要因素,栏光效应与加工刀具有着密切的关系。分析刀具圆弧半径与栏光效应的联系、刀具参数与元件加工后的表面粗糙度的关系以及刀具耐用度等要求,设计了加工折衍二元光学元件的金刚石刀具,给出刀具加工里程数计算公式和车削实验结果。实验结果证明:设计的金刚石刀具能够满足折衍二元光学元件的产业化加工要求,刀具耐用度较强化前提高2倍多。     

Laser spot location method for a laser pointer interaction application using a diffractive optical element

A diffractive optical element (DOE) is applied to effectively locate a laser pointer spot on a projection screen for laser pointer interaction applications. The DOE is placed in front of a digital web camera to blur the background image while transforming the laser spot into a large diffractive pattern, such as a circle. To calculate the diffractive pattern position on the screen, only a simple subtraction method using two successive digital images with the laser ON and OFF, respectively, is needed. This approach also improves the compressed digital image transmission latency.     

大口径衍射光学束匀滑器件的研制

采用爬山－模拟退火混合优化算法,选取合适的权重因子,改善了衍射光学束匀滑器件的设计性能,其顶部不均匀性小于1%,能量利用率优于95%。采用旋转镂空掩模板,加工出Φ 180的束匀滑器件,并进行了实验研究,获得了较好的束匀滑光强包络。为获得真实的束匀滑分布、改善顶部均匀性、提高抗波前畸变宽容度,选取特定的焦面采样间隔进行了精细化设计。     

一种用于高斯光束整形的衍折射光学元件的研究

由衍射光学元件（ＤＯＥ）和折射透镜组成的衍折射光学元件，用于较大功率密度和光束半径的高斯光束的聚焦。运用ＧＳ算法，用外围的ＤＯＥ产生一个偏移的高斯光束分布，与中心的折射透镜会聚后的高斯光束相干叠加在一个很小的聚焦圆内，在聚焦圆内的光强分布不平整度小于５％。给出了一个圆域基模高斯光束的整形分布，计算误差小于３．５％。     

Integrated diffractive optical mode converter for fiber-to-waveguide coupling

An integrated diffractive optical mode converter, which can be integrated into planar lightwave circuits (PLCs), consisting of a diffractive optical element (DOE) and a slab waveguide is presented for fiber-to-waveguide coupling. The DOE is designed using iterative phase retrieval algorithm. In the iterative algorithm, we introduce a new modification of far-field amplitude constraint to provide very high mode conversion quality. Compared with previously published mode converters, the scheme is more universal because it is applicable for any waveguide structure. In simulation, coupling losses lower than 0.12 dB have been reached for all the discussed waveguides. The converter is shown to be polarization-insensitive and applicable in multi-wavelength PLCs. And the tolerance on axis misalignment has been investigated.     

衍射光学元件车削补偿技术的研究

超精密单点金刚石车削加工是高精度衍射光学元件制造的重要方法,但是以往的加工方法是直接一次车削加工成型,无法实现具有加工-检测-补偿加工-检测的闭环控制特点的超精密加工,从而导致零件精度较低。针对这种加工技术的缺陷,通过研究衍射光学元件金刚石车削过程和面形状误差补偿,对表面轮廓仪实际测量的轮廓数据进行处理,计算出实际车削曲线与理想曲线之间的法向残余误差,以此获得新的金刚石车削加工轨迹,实现衍射光学元件的超精密闭环控制加工。利用单点金刚石车床对口径78的衍射光学元件进行补偿加工试验,最终使其PV值由10.4 m经过一次补偿加工后降为4.3 m。     

基于空间光调制器的三维相位全息图再现像优化

在现有的二维图像再现效果改善方法的基础上,对三维物体再现像质量提高的方法进行研究。基于衍射理论,分析了具有有限填充因子空间光调制器的栅格结构对重构图像质量的影响。编入双线性相位因子到纯相位全息图,使得有效光偏移中心光轴传播,让图像细节得到完整重构再现。然后迭加双会聚球面波相位因子,使得各再现像面与空间光调制器栅格结构引起的多级衍射光聚焦平面的位置进行分离,利用光阑和空间滤波器共同作用来消除高级衍射光以及零级光对重构图像质量的影响。搭建了基于LC-SLM的相位全息图光电再现系统用于实验验证。实验结果表明三维物体再现像质量得到明显的提高。