自成像魏格纳函数分析

在空域-频域空间,基于魏格纳变换和魏格纳分布函数,分析讨论了一维物体的自成像及其形成过程.从成像过程中各衍射频谱分量的光程差,给出了Talbot效应和Montgomery效应的统一解释.对于周期物的Talbot效应,得到了用杨氏双缝干涉解释自成像现象的理论依据.周期物的自成像是物平面上间距为两倍周期、光程差为波长的整数平方倍的各衍射频谱分量同相相干迭加的结果.Montgomery效应是物平面上间距为抛物线关系、光程差为波长整数倍的各衍射频谱分量同相相干迭加的结果.     

利用Gyrator正则变换实现环形激光阵列的Talbot效应

本文对环形激光阵列的Talbot效应进行了研究,利用Gyrator正则变换推导了极坐标下环形激光阵列的Talbot效应和自成像条件,并进一步分析了其在分数Talbot距离处的成像规律.通过FDTD Solutions软件对环形激光阵列在分数Talbot距离处的空间分布、相位分布进行模拟,得到与理论计算相一致的结果.通过与一维激光阵列分数Talbot效应的空间分布、相位分布情况进行对比分析,环形激光阵列可有效消除一维激光阵列的Talbot边缘效应,获得等光强分布的Talbot自再现像,扩展了Talbot效应在环形激光相干阵列锁相的应用.     

基于周期极化掺镁铌酸锂晶体的六角可调相位阵列光栅

研究了基于周期极化掺镁铌酸锂(PPMg…LN)晶体的二维六角可调相位光栅及其Talbot效应光衍射成像。理论模拟不同相位差及分数Talbot距离条件下的近场光衍射强度分布,计算取样区内衍射强度随相位差和分数Talbot距离的变化,给出相位差恒定及变化情况下取样区强度最大值的位置。在理论研究基础上,设计与制备PPMg…LN六角可调相位阵列光栅,并进行了Talbot衍射成像的实验研究,实验结果与理论研究吻合较好。     

掩模衍射频谱轴向分量对光刻成像性能的影响EI北大核心CSCD

传统三维光刻矢量成像模型中将投影系统物方电磁场表示为二维形式,实现方式分为两种:采用局部坐标和忽略掩模衍射频谱的轴向分量。后者在浸没式光刻系统仿真中的适用性需要进一步分析。简述了忽略掩模频谱轴向分量的矢量成像模型和引入该分量的全光路三维光刻矢量成像模型,利用这两种模型和商业仿真软件,研究了掩模衍射频谱轴向分量对光刻胶中成像特征尺寸的影响并对结果进行了讨论。研究结果表明,相干照明和部分相干照明条件下,掩模衍射频谱轴向分量对光刻成像的影响随着数值孔径的变化趋势存在较大差异。这说明相干照明下的分析结论并不适用于部分相干照明条件,且只有全光路三维矢量成像模型才能满足浸没式高分辨光刻仿真的要求。     

利用保角变换实现环形光栅的Talbot效应

Talbot效应是一种近场自成像效应,通常只有周期光栅可以产生Talbot效应,而环形光栅无法产生.本文通过引入保角变换,发现可以在环形光栅外部设计适当的折射率渐变层介质,使得其中也能够产生严格的Talbot效应,并计算了对应的自成像半径表达式.本文利用FDTD软件分别将一个环形光栅放置在真空中以及人工设计的折射率渐变层中进行了模拟,并对二者的结果进行了比较分析,发现这种折射率渐变层介质确实对点光源入射的环形光栅的自成像情况有着很好的改善.希望这一工作能够推广Talbot效应的应用范围.     

Talbot效应的简单解释

从双缝干涉的简单理论出发,将光栅分解为许多组双缝,利用人们熟知的干涉条纹间距公式导出Talbot成像位置,结论与Talbot效应公式一致。并由实验证实,在(2 m 1)d2/λ(m为正整数)的位置得到的为横向平移d/2的周期像,并非原周期性物的负反差像。     

基于波长扫描塔尔博特效应的阶高测量理论研究

近年来,多维阶高测量问题倍受关注,两波长或波长扫描方式的塔尔博特效应被应用于多维阶高测量.研究表明,基于塔尔博特(Talbot)效应的阶高测量方法具有仪器结构紧凑、无需机械扫描、稳定性高和测量范围大等优点.因没有光栅或检测器件的任何机械移动,可避免由此导致的相位问题及测量误差.取代相位信息,该方法采用衍射条纹的最大衬比度来判定塔尔博特像,测试中均采用占空比为1:2的龙基(Ronchi)光栅作为周期结构衍射物,利用不同波长塔尔博特像的像距来确定物体阶高.因为测量的是条纹衬比度而非绝对强度,所以阶高测量精度依赖于条纹衬比度,最大衬比度的获取与判定是非常重要的.在分析对比的基础上指出,采用非龙基型光栅,如正弦振幅光栅或相位光栅,能使成像条纹分布更合理,有效地提高成像条纹的衬比度.研究还表明,所采用周期结构衍射物的空间周期越小,分辨率就越高,从而给出了分辨率同衍射物空间周期的定量关系.     

抑制孔径间距误差影响的相干场成像质量提升方法研究

相干场成像基于激光发射孔径间距相等、频谱相等的基本假设, 迭代计算频谱重建高分辨图像, 实际应用中不可避免的激光发射孔径间距误差是影响成像质量的重要因素. 针对发射孔径间距误差造成的成像质量下降问题, 提出一种抑制孔径间距误差影响的成像质量提升方法. 首先分析了孔径间距误差对激光回波频谱和成像质量的影响机理; 推导得到了频谱误差迭代模型; 理论上构建了孔径间距误差对信号频谱和成像质量的零影响条件方程; 提出一种线性规划方法求解成像质量零影响条件方程, 得到孔径间距误差最优化分布矩阵; 实际应用中基于该最优化误差矩阵合理分配各孔径间距误差, 就可抑制孔径误差对成像质量的影响. 实验验证了该方法的正确性和有效性. 结果表明: 该方法可提升成像质量评价指标斯特列尔比近1倍; 所提方法可便捷有效地抑制孔径误差对成像质量的影响. 该研究为实际相干场系统成像质量的提升和发射阵列孔径间距精度设计提供了理论指导.     

复杂分光仪器中的像差研究

为提高分光仪器的性能,采用两个椭球面镜和一个椭球面消像差光栅分光。光源发出的光线被第一个椭球面镜反射,产生特定的波前,经过光栅衍射以后,不同波长的光波被第二个椭球面镜汇聚到探测器的不同位置上。系统具有复杂的像差特性和成像特性,根据费马原理,参考第二代全息变线距光栅的制作光路和理论,建立坐标系,定义两个椭球面上的入射角和反射角,确定各元件的位置变量,确立基本几何关系,将光程函数分为两部分:由衍射引起的光程变化和几何位置引起的光程变化,将两部分都按级数展开,给出了高阶像差的解析形式。对于平面、柱面、球面光栅和反射镜也可以使用这些公式。像差的解析式和光路也可以用于各种分光仪器中。     

基于叠栅技术的二维亚波长周期结构成像设计

用光子学方法研究了叠栅技术中,当试件光栅被拉压和旋转后,叠栅条纹的空间周期和相对于基准光栅的取向,试件光栅被拉压后的节距等相关问题。根据衍射光波的空间周期可能大于试件光栅空间周期的特点,对二维亚波长周期结构衍射成像进行了设计研究。首先,对二维亚波长周期结构衍射物进行编码,以获得包含编码光栅空间信息的均匀波;其次,使编码得到的均匀波通过光学系统,并被放大到CCD相机所能辨识的大小;再次,经解码光栅解码,滤掉编码波,最终获得二维亚波长周期结构物的空间结构信息,达到超分辨的目的。同时,对成像过程进行了较为详尽的分析,对编码器、解码器的位置以及它们相对衍射物的取向进行了设计研究,对滤波器的选择给予了必要的说明,指出了取得超分辨成像的关键。     

Geometrical aberrations of self-imaged line gratings

We analyze the properties of a self-imaging system from the point of view of aberration theory. We examine analytically and numerically the geometrical aberrations that are observed in the self-image of a parallel-line grating. We first derive the raytracing equations for determining the optical path of a self-imaging ray with the order of diffraction l. We then obtain the third- and fifth-order contributions to ray aberrations which arise from the difference between the optical paths of a self-imaging ray and of an actual ray. We show that the overall ray aberrations are entirely undercorrected. The ray aberrations approach zero as the ratio of the grating constant to the wavelength of light becomes large enough. In a case of unit magnification, no curvatures are observed in the self-imaged lines. If the magnification is bigger than unity, the light rays passing through the point in a positive or negative domain of the aperture variable contribute to the formation of the curved images. The image evaluation technique discussed here can be useful in the various applications related to the self-image formation of a parallel-line grating and it can also provide insight into the self-imaging of other periodic objects.     

光栅衍射像的反差,位相和周期的分析

本文从理论上导出了相干光照明了菲涅耳衍射场中离开泰伯自成像平面时光栅像的反差、位相和周期的变化。得到了球面波和平面波照明下,光栅的傅里叶像生成的条件,从而定量地说明了泰伯效应与Lau效应的某种一致性。理论结果被实验验证。     

部分相干同步辐射照射下光栅分数塔尔博特效应

基于高斯谢尔光束的相干模式分解理论和波动光学,建立了部分相干同步辐射硬X射线光束通过光学器件的传播模型。模拟了微聚焦X射线光束照射下光栅的分数塔尔博特效应,得到了聚焦光束的光强分布和相干特性变化,并分析了散焦光束入射下的光栅自成像。然后通过模拟准直光束入射下的光栅塔尔博特效应,得到了不同传播距离处自成像条纹的变化情况,分析了影响光栅自成像条纹形状的因素。通过光栅衍射条纹测量同步辐射相干度,发现对矩形相位光栅来说,应该对衍射图样进行傅里叶分解,求出各级傅里叶系数随传播距离的变化曲线,从而得到入射光束相干特性。     

Ray aberrations of two-dimensional oblique lattices on the self-image plane

We extend the geometrical theory of aberration for a self-imaging system to the case of two-dimensional oblique lattices. In our approach, the fundamental translation vectors of the lattice are not restricted in both length and orientation. Evaluating the disturbance of light through the oblique lattice under coherent illumination, we find the conditions of constraint which limit the self-imaging of the oblique lattice. Various types of oblique lattices are shown to obey the self-imaging conditions. We derive the equations to trace the optical paths of self-imaging rays and then analyze the ray aberrations which arise from the difference between the optical paths of a self-imaging ray and of the corresponding actual ray. The ray aberrations are shown to disappear when the periods of the lattice are large compared with the wavelength of light. We find that the ray aberrations carried by self-imaged oblique lattices are totally undercorrected and the aberrated image patches are displaced along the direction tangent vector of a chief ray.     

畴腐蚀掺镁铌酸锂可调阵列光分束器的研究

研究了不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角可调阵列光分束器的分数Talbot效应.对不同Talbot分数β和不同畴腐蚀深度的阵列光分束器Talbot衍射像进行了数值模拟理论研究.模拟结果表明,Talbot分数β可以改变Talbot衍射像的周期及结构分布,而畴腐蚀深度可有效调制衍射像的光强分布.在理论研究的基础上,设计并制备了具有不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角阵列光分束器,对其在不同Talbot分数β条件下的分数Talbot效应进行了通光实验研究,实现了畴腐蚀阵列光分束器对近场Talbot衍射光强分布的调制,实验结果与理论研究结果一致.     

菲涅耳-基尔霍夫积分与半波带法分析衍射光谱

惠更斯菲 涅耳原理指出光的衍射本质是无穷多次波的相干叠加.在研究衍射光谱的强度时可使用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分进行计算,但该积分的计算较为复杂.为了简化计算而引入菲涅耳半波带的概念,把积分运算简化为振幅矢量的叠加,从而在研究衍射时由菲涅耳-基尔霍夫衍射积分过渡到菲涅耳半波带法.在菲涅耳半波带法中波前上相邻两个半波带到达叠加点的光程差为半个波长,从而导致相位差π.因此相邻两个半波带引起的振动在叠加点发生相消,最终叠加点的光强由发出次波的半波带数目的奇偶性决定.奇数个半波带在叠加点的光强得到加强,偶数个半波带在叠加点的光强发生相消.     

非相干照明条件下的ptychographic iterative engine成像技术

在传统多波长相干衍射成像理论的基础上提出适用于 X-射线和电子束等非相干光源照明成像的改进多波长ptychographic iterative engine 方法, 同时将小孔形状和照明光谱信息用于叠代计算, 可以在非相干照明条件下精确重建出物体的强度透射像和相位透射像, 并对光源带宽对重建精度的影响进行了分析, 对于解决如何在非相干照明条件下对大尺寸物体进行精确相位成像的问题具有较好的科研和实用价值.     

编码栅在光信息处理中的应用

本文从编码栅对光源、物函数、谱函数的调制原理出发,从三个方面分析了编码栅在光信息处理中的作用及应用实例。     

Flexible coherent diffraction lithography by tunable phase arrays in lithium niobate crystals

Flexible coherent diffraction lithography is proposed and preliminarily tested by means of an optical phase mask. The phase mask consisted of a two-dimensional hexagonal lattice of reversed ferroelectric domains engineered in a z-cut lithium niobate substrate and was electro-optically tunable. Appropriate phase shift values across adjacent reversed domains were induced by the application of an external electric field along the z-axis of the crystal via transparent electrodes. Photolithographic exposures of the self-imaging near-field diffraction intensity patterns, at various planes corresponding to the Talbot distances, were performed by using different values of the driving electric field signal.