亚波长衍射微透镜色散的数值分析

采用旋转体时域有限差分法对亚波长衍射微透镜进行数值分析，给出了在微透镜焦平面上的电场强度分布和从近场到远场的电场强度分布. 研究了亚波长衍射微透镜的色散，给出了入射波长不同于设计波长的色散曲线，数值分析结果表明了亚波长衍射微透镜的负向色散特性，而且随着波长的减小焦距增加得更快. 关键词： 亚波长衍射微透镜 色散 时域有限差分法     

亚波长衍射微透镜的设计

设计了连续浮雕衍射微透镜和与其等效的二元亚波长衍射微透镜,采用旋转体时域有限差分法对通过计算机辅助设计出的元件进行了严格的矢量分析,给出了各元件在焦平面的场强分布.分析结果表明,本文设计的二元亚波长微透镜对连续浮雕微透镜有很好的等效效果;填充因子的脉冲宽度调制法要优于填充因子的线性近似法;制作相对误差不大时深度误差和宽度误差对微透镜聚光能力的影响不大.     

激光照明条件对超振荡平面透镜聚焦性能的影响

超振荡平面透镜(super-oscillatory lens, SOL)是近几年出现的新型平面光学元件,基于矢量角谱理论设计了振幅型和相位型SOL,采用时域有限差分法对衍射聚焦光场进行严格电磁仿真计算,研究发现:当照明激光束腰半径w₀小于SOL半径a时,超衍射极限聚焦能力明显下降,聚焦光斑强度衰减超过50%;束腰半径w₀对相位型SOL影响更剧烈,且会发生显著正向焦移;当w₀不小于2a时可获得接近理想的聚焦特性.倾斜照明条件下,大数值孔径振幅型SOL一般允许的倾斜角度小于10°,而相位型SOL具有宽广的倾角适应性(可超过40°),聚焦光斑会发生横向展宽,且强度急剧下降.大数值孔径SOL对无限远点物成像会产生显著的负畸变和波动变化的场曲,小数值孔径SOL在宽视场范围内则无畸变.本文研究结果为SOL在超衍射极限聚焦、超分辨显微成像、飞秒激光直写微纳加工等领域的实际应用提供重要理论支撑.     

二元微透镜的位相平衡设计及叠加积分衍射分析

本文用位相平衡设计法设计了优化的二元光学微透镜，这是对Ｄａｍｍａｎｎ阶梯波带片设计方法的一种改进。文中用叠加积分作了二元微透镜的衍射分析，并与Ｄａｍｍａｎｎ法作了比较，计算结果说明本方法的衍射效率及象质都优于Ｄａｍｍａｎｎ法。且能设计更大相对口径（Ｄ／ｆ）。具有任意物象距的二元微透镜。     

衍射透镜的精确设计方法

根据光线在基板和衍射层中实际光路作者导出了衍射透镜的精确设计计算公式,基于这种公式设计出的微透镜的成象质量优于基于简化公式设计的衍射透镜.本文介绍这些严密的设计公式和设计过程,给出了工作波长λ=0.6328μm、直径2R=300μm、基板(折射率ns=1.51)厚1000μm、衍射层折射率nd=1.56的微透镜设计面形以及象点的能量分布.     

新型衍射光学聚焦透镜元件设计

近年来，随着衍射光学技术的发展和应用，利用衍射光栅进行光束的谐波分离成为各国研究的新热点。我们基于傅里叶模矢量衍射理论方法设计了一种聚焦透射光栅（FTG）元件，它需要3种光学元件（谐波分离光栅、光束取样光栅及聚焦透镜）将实现的功能集成于一体。FTG的结构类似于离轴的菲涅尔波带片，它能将入射的平面波聚焦到一点。由于FTG针对三倍频光设计，只有三倍频光通过它后会聚焦到一点，而基频和二倍频光将直接通过，从而同时实现谐波分离及聚焦功能，而利用反射光即可实现对三倍频光的取样，原理见图1。     

衍射光学透镜的设计

介绍一种衍射光学透镜的通用设计方法，它适用于大的相对孔径和任意的物像共轭距离，同时考虑了透镜基板厚度的影响．设计的结果，用激光写入法加工成透镜，其成像质量达到衍射极限．     

基于衍射微透镜的光学加速度传感器设计

提出了一种基于菲涅耳衍射微透镜的新型光学加速度传感器,它能够解决导航系统中惯性传感器普遍存在的抗电磁干扰和电磁冲击能力差等缺陷。其传感原理是把一个反光膜平行地置于衍射微透镜的后方,加速度的变化会改变反光膜的位置,根据微透镜前方会聚点处光强的变化,感知加速度的大小。介绍了传感器及其动力学系统的工作原理,并对衍射微透镜和动力学系统的微弹性机械结构进行了设计和加工,最后对传感器的性能和误差进行了分析。原理验证性实验的结果表明这种新型光学加速度传感器的原理正确,并且结构简单,灵敏度高。     

菲涅耳微透镜行列阵衍射效率的测试与分析

归纲了目前二元位相型菲涅耳微透镜列阵衍射效率测试中所用各种衍射效率的不同定义，提出规范定义的建议。并设计了测量衍射效率的系统，方法简单易行，适于测试具有微小单元尺寸的菲涅耳微透镜列阵的衍射效率。     

小F数衍射微透镜阵列光学性能研究

本文基于小光点扫描,在国内首次提出了一种测试小F数衍射微透镜阵列光学性能的方法.利用光通信用半导体激光器和探测器建立了一套测试系统,并对所研制的大阵列,小单元尺寸的多相位菲涅耳衍射微透镜阵列的衍射效率和点扩散函数进行了测试.结果表明,衍射微透镜实际衍射光斑比理论衍射受限光斑扩展不大,8相位和16相位石英微透镜的衍射效率分别高达80.2%和87.5%,说明本实验室对多相位的设计理论和制作工艺已基本掌握,满足应用的要求.     

锥形空心银波导的聚焦特性

利用时域有限差分(FDTD)方法数值演示了一种能光学引导和聚焦激光的锥形空心银波导,数值模拟结果表明这种锥形空心银波导能把激光聚焦成一个极小的、直径只有1 μm、强度高度局域性的光斑.对锥形波导能光学引导和聚焦激光的物理机理作了分析和探索,并进一步探讨了激光倾斜入射、波导几何结构对锥形波导聚焦特性造成的影响,这些研究结果对于锥形光学的应用、快点火或产生高能带电粒子中锥靶结构的最佳设计具有重要的参考价值. 关键词： 锥形波导 聚焦特性 时域有限差分     

用衍射相位元件分离并聚焦偏振光

通过相位恢复的原理,设计了在平行光的照明下单轴双折射晶体做成的衍射相位元件以实现分离并聚焦ｏ偏振光和ｅ偏振光,讨论了相位量化对结果的影响。理论计算表明：这种方法可成功地实现偏振光的分离和聚焦。     

纳米半球微镜阵列结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了分析表面纳米半球微镜结构对GaN基发光二极管（LED)光提取效率的影响,利用时域有限差分法(FDTD)分别对GaN、ZnO、SiO2、聚苯乙烯组成的半球微镜结构进行了分析和比较,同时用模式分析方法从理论上对FDTD计算结果进行了进一步验证。研究发现,在亚波长范围,折射率较小的材料不利于导模与表面结构层的耦合,不会对光提取效率的提高产生明显影响。相比之下,折射率较大的材料会使更多的模式耦合到半球微镜阵列层,更有利于光提取效率的提高;当材料选定,纳米半球半径增加时,光提取效率也逐渐增加,优化后半径为600 nm的半球微镜阵列结构GaN基LED,其光提取效率比没有结构的普通平板LED增强5.66倍,在以上波导材料结构中最为优化。在此基础上,通过等效折射率的计算得到半球微镜结构的等效折射率模型,并利用非对称平板模式分析的办法对以上得到的结论进行了分析和验证。这些结果对实际的高性能GaN基LED的设计与优化具有重要意义。     

变折射率方形孔径平面微透镜阵列的聚焦和散焦特性

为提高变折射率平面微透镜阵列的填充率,利用光刻工艺和离子交换技术制备了填充率近达100%的方形孔径平面微透镜阵列,并对其透镜元及相邻透元间间隙构成的角落区域的成像进行了理论和实验研究.根据变折射率介质光线追迹法,利用MATLAB软件模拟,发现在透镜元区域和角落区域成像特性相反.成像系统测试表明:由于透镜元区域和角落区域的折射率分布变化规律不同,透镜元与角落区域对物体分别成倒立实像和正立虚像;透镜阵列可实现聚焦和散焦功能;角落区域得到充分的离子交换使得间隙足够小,形成了从该区域中心向外逐渐增大的新型梯度折射率模型.     

Volume Images Vector Display Based on a Diffractive Screen

A white light system based on a 65 cm × 35 cm diffractive screen is demonstrated to be capable of displaying three-dimensional figures with continuous horizontal parallax. Three computer-controlled mirrors and a diffractive-refractive optical system are employed for positioning each element of the figure. No visual accessories are necessary and more than one observer can watch it simultaneously.     

Diffractive Focusing of a Gaussian Beam

The problem of diffraction of a spherical wave with Gaussian amplitude distribution on two infinitesimally thin and ideally reflecting screens with apertures on an optical axis is solved within the framework of the quasi-optical approximation. It is shown theoretically and experimentally that when a Gaussian beam illuminates such a type of bicomponent diffraction system with small Fresnel numbers in a near zone of the second screen, the effect of diffractive multifocal focusing of radiation is observed. In this case, the diffraction picture from the second screen in the focal planes represents the circular nonlocal bands of the Fresnel zones with a bright narrow peak at the center, whose intensity can exceed by six times the value of the incident wave intensity. The energy efficiency of diffractive focusing of Gaussian beams by the bicomponent diffraction system can be as high as 70%. The diffractive method proposed allows the focusing of wide-aperture beams without using classical refraction elements such as lenses and prisms, and it is applicable to both low-intensity and high-power radiation.     

含双层衍射元件消热差长波红外光学系统设计

采用多层衍射元件是实现宽波段高衍射效率的有效方法,设计了一个含双层衍射元件-30℃～70℃消热差系统。通过合理选择衍射面的基底材料,优化衍射表面的浮雕深度,设计出红外宽波段高衍射效率的消热差光学系统。设计结果表明,在整个设计温度范围内,该光学系统成像质量良好,光学传递函数在16lp/mm时均在0.6以上。