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。     

新型棱镜产生近似无衍射线结构光

为了改善三角棱镜系统产生近似无衍射线结构光的能量均匀分布在若干条光斑上,不适合直接应用于三维表面测量且中心光斑对能量利用率较低的问题,提出了一种新型光学元件.该元件在三角棱镜的基础上,通过在其底部胶合一个与原三角棱镜底面大小相等,横截面为等腰梯形的凸台制成.采用几何光学的理论对新型光学元件的光束变换特性进行分析,结果表明其可以等效为两个不同底角三角棱镜的组合,平面光束通过新型光学元件后将产生中心光斑较强的近似无衍射线结构光.由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的空间光强分布特性.仿真的结果表明,衍射积分分析的结果与几何光学分析的结果是一致的:新型光学元件可以产生一种性能更好的近似无衍射线结构光.并且通过改变棱镜的结构参量,能够方便地调节光束的中心光斑尺寸、近似无衍射范围等参量.     

微型光谱仪结构参量的可调节冗余量研究

为了探究Czerny-Turner(CT)光路结构在装配过程中各个光学元件偏离理论光学设计参量时对光谱仪光学性能的影响,建立数学物理模型还原Zemax设计的非对称CT结构光路,在不影响光谱仪分辨率的条件下,调节CT结构中的各元件,得到各元件的可调节冗余量.结果表明,准直镜和衍射光栅偏转角度可调节范围分别为±0.19°和±0.17°;聚光镜和CCD的位置可调节范围都为±0.12mm.以上四个变量的可调节冗余量最小,对光谱仪最终分辨率影响较大.该研究对CT结构中各光学元件机械调节机构的设计具有参考意义.     

一种二元整形元件激光直写方法的实验研究

为了实现具有复杂位相结构的二元光束整形元件,提出了采用方光点的激光直写系统来逐点光刻浮雕位相结构的方法,通过双远心投影缩微光路获得5-20 μm方点,光点尺寸对应于最小位相单元,从而获得了位相结构的高质量直写.分析了高斯光点和方光点位相单元结构对二元整形元件衍射效率的影响,方形两台阶二元整形元件的+1级衍射效率达到31%,给出了实验结果.     

斜入射下双波段双层衍射光学元件优化设计与分析

基于斜入射衍射光学元件的正常工作模式,建立了斜入射下入射角度和入射波长对双波段双层衍射光学元件衍射效率影响的数学模型,给出了对应双层衍射光学元件的优化设计方法。通过在入射角度范围内优化设计波长对,计算双层衍射光学元件微结构高度,确保了斜入射时双层衍射光学元件仍具有高衍射效率,弥补了双层衍射光学元件的缺陷。该方法能够指导双波段折衍混合成像系统的设计,也可以扩展至多波段多层衍射光学元件的设计中。依据该方法,设计了一套基于双层衍射光学元件的中/长波双波段折衍混合光学系统。结果表明,与常规设计相比,该方法的设计理论更加合理,设计结果更优。     

多层衍射光学元件成像特性的研究

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656 μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.     

利用二维杨-顾算法设计非对称结构衍射光学元件

杨 顾算法是一种设计衍射光学元件的相位恢复方法。在大多数文献中,主要用它来设计一维衍射光学元件和具有旋转对称结构的二维衍射光学元件,故在此称之为一维杨 顾算法。二维杨 顾算法可用来设计任意结构的二维衍射光学元件。在基于非幺正变换光学系统中,用振幅 相位恢复理论建立了二维杨 顾算法的数学模型,给出了迭代算法。利用自编的仿真程序包设计了一个具有非对称结构的衍射相位元件。     

无衍射光束提高成像系统分辨率

设计了一种在非相干光源下利用轴棱锥产生的无衍射光束成像系统.基于衍射积分理论与点扩散函数推导出成像系统分辨率的表达式,利用光学软件对无衍射光束成像系统的初始结构模型进行仿真,并以蓝光LED作为光源,将条纹状物体、透镜组以及轴棱锥等光学元件组合为成像系统进行实验.结果表明:实验结果与理论分析相符,即非相干光源无衍射Bessel光束成像系统利用无衍射光束的特性能够提高成像分辨率.     

基于同步多曲面法的发光二极管机器视觉照明设计

为了改善三角棱镜系统产生近似无衍射线结构光的能量均匀分布在若干条光斑上,不适合直接应用于三维表面测量且中心光斑对能量利用率较低的问题,提出了一种新型光学元件.该元件在三角棱镜的基础上,通过在其底部胶合一个与原三角棱镜底面大小相等,横截面为等腰梯形的凸台制成.采用几何光学的理论对新型光学元件的光束变换特性进行分析,结果表明其可以等效为两个不同底角三角棱镜的组合,平面光束通过新型光学元件后将产生中心光斑较强的近似无衍射线结构光.由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的空间光强分布特性.仿真的结果表明,衍射积分分析的结果与几何光学分析的结果是一致的:新型光学元件可以产生一种性能更好的近似无衍射线结构光.并且通过改变棱镜的结构参量,能够方便地调节光束的中心光斑尺寸、近似无衍射范围等参量.     

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.     

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。     

二元光学元件及其应用

叙述一种新型衍射光学元件──—二元光学元件的设计原理及其制造方法。分析二元光学元件的衍射效率和色差，讨论光刻法对其最小特征线宽的限制因素，阐明二无光学元件的特点及应用。     

变折射率组合三角棱镜产生无衍射线结构光

提出一种可产生大焦深无衍射线结构光的新型光学元件——变折射率组合三角棱镜,由正、负等腰三角棱镜胶合在一起设计而成,其变换光束特性与单个正等腰三角棱镜相同,等效折射率由正、负等腰三角棱镜折射率之差决定,因此可通过两个折射率接近的正、负等腰三角棱镜组合得到一个更加接近1的等效折射率,以获得更大焦深的无衍射线结构光,解决了单个正等腰三角棱镜小角度加工困难的技术问题。采用几何光学理论分析了产生无衍射线结构光的原理,计算了无衍射线结构光的相关参数。由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的光强分布特性。研究表明,平面波正面入射新型光学元件可以产生具有大焦深的无衍射线结构光。     

基于单一元件产生太赫兹无衍射波束技术研究

提出了一种新型的光学元件,可以产生与元件具有一定距离的无衍射波束。普通轴棱锥的横截面为等腰三角形,通过在两个腰上限定抛物线进行元件设计,采用3D打印技术制作了不同结构参数的光学元件。角谱理论的仿真计算结果以及在0.1 THz频率下进行的实验结果,都清晰地表明了产生的无衍射波束与元件之间具有一定距离。利用空间频谱对元件的波束行为进行分析,结果表明,该元件产生了一种新型的无衍射波束,根据元件的空频形状,将元件产生的无衍射波束命名为“梳状空频无衍射波束”。     

用于共孔径相干合成的衍射光学元件设计

分析了衍射光学元件实现共孔径相干合成的物理过程,建立了基于衍射光学元件的共孔径相干合成数学模型,推导了合成光束复振幅与入射光束和衍射光学元件相位分布之间的关系。提出用合成光束强度分布的均匀性作为评价函数的优化方法,获得了一维衍射合束器的相位分布。与文献报道的衍射光学元件分束器相比,可获得更高的合成效率。采用模拟退火算法结合随机并行梯度下降算法优化合束器设计,提高了计算效率,获得了多束衍射合束器的相位分布和合成效率。分析了单子束失效及合束器像差对合成效率的影响,结果表明:随着合束数量的增加,单子束失效对合成效率的影响逐渐减小;若使合成效率退化小于5%,衍射光学元件的波像差均方根值应控制在λ/28以内。     

多层衍射光学元件成像特性的研究

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656 μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.     

硫系玻璃衍射面模压成型仿真分析与实验研究

为了减小玻璃模压工艺中硫系玻璃衍射光学元件的面形误差,对衍射结构的填充效果和衍射光学元件的应力进行研究。建立了局部衍射结构有限元仿真分析模型,分析了模压温度、模压速度、摩擦系数等因素对衍射结构填充效果和应力的影响,并在仿真结果的指导下进行实验研究,实验结果表明衍射结构的填充效果和应力对面形均有影响,衍射结构填充得越充分、应力越小,成型透镜的面形精度越高,最终得到的成型透镜面形误差为0.3053μm,表面粗糙度Ra为2.95 nm。     

高能激光系统内光路热效应建模与仿真

高能激光系统内光路热效应是影响系统性能的重要因素,介绍了内光路中光学元件、介质气体热效应物理模型,分析了影响热效应的主要因素,并开展了热效应变化规律研究。针对光学元件,重点研究了元件吸收率、元件材料特性、光斑分布对反射镜、窗口镜、分光镜热像差的影响规律,指出吸收率主要影响热像差的大小,而元件基底材料特性和激光分布影响热像差时间和空间变化。针对介质气体,指出介质气体升温后重力引起的自然对流是影响气体热像差的主要物理因素,细致研究了热像差随时间的变化规律,介绍了降低封闭与开放式内光路介质气体热像差的措施与方法。介绍了激光仿真软件平台Easylaser多物理仿真模块,搭建了包含反射镜、窗口镜、分光镜和介质气体的内光路计算模型,通过光-热-力-控多物理耦合仿真,研究了反射镜与窗口镜、介质气体与窗口镜热像差补偿效应,给出了激光传输远场光斑特征,表明了Easylaser的多物理仿真模块具备对内光路热效应综合仿真分析能力。     

线扫描激光雷达光路的光机热集成优化设计北大核心CSCD

发射透镜直接准直半导体激光光源方案能够使线扫描激光雷达结构更紧凑、成本更低,但是由于高功率半导体激光光源发热严重会导致光学元件热变形,从而导致探测器接收到的光功率急剧降低而不可探测。提出了一种30m探测距离的线扫描激光雷达光路的光机热集成优化设计方法。以预设工作温度40℃至80℃的中间温度60℃为初始条件,基于Zemax软件优化设计了发射透镜与接收透镜的光路系统,使工作温度为60℃时的光路系统光学性能最佳;使用有限元方法分析该光路与相应的机械结构随温度变化时光学元件热形变的情况,通过添加SiO2气凝胶作为隔热材料进行光路系统的机械结构优化。优化结果表明,采用光机热集成优化设计方法后,优化后的光路与机械结构在工作温度40℃至80℃范围内探测器接收到的光功率始终在10^-4w量级,相比仅仅使用Zemax软件优化设计发射透镜与接收透镜方法(探测器接收到的光功率10^-6~10^-4w)有了显著的提升。     

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