达曼光栅的设计与制作方法探讨

研究基于二元光学的达曼光栅理论和设计方法,设计5×5分束达曼光栅。分别采用“减法”和“加法”加工方案制备器件。“减法”工艺方案包括,优化了氧化硅光栅制作中曝光、显影及深刻蚀工艺参数等关键工艺技术;“加法”工艺方案研究了氮化硅薄膜的制备及刻蚀工艺的问题。研究并制备了两种工艺方法的达曼光栅器件。实验结果表明,“减法”工艺方案的零级衍射场均匀分布的5×5点阵,总的衍射效率达到53%,不均匀性仅为0.19%;“加法”工艺方案的总的衍射效率为59%,不均匀性仅为0.16%;实验结果与理论设计的相符,验证了理论设计与工艺技术的可靠性。

光折变达曼光栅的制作

本文实验证明了一种制作达曼光栅的新方法：在ＬｉＮｂＯ３：Ｆｅ晶体中利用成像和光折变校应制作光折变达曼光栅．用这种方法制作的达曼光栅除了具有传统达曼光栅的特点，还具有制作实时、简便、可以循环使用的优点．相信在集成光学、光学信息处理中会有重要的应用前景．

快速边界识别算法用于达曼光栅掩模数据生成的研究

针对达曼光栅的数据写入问题,提出了一种快速边界识别算法(FBIA)用于复杂二元光学图形掩模的CIF格式数据的生成。该算法首先识别出达曼光栅图形的边界点,然后按照左手原则对边界点进行排序并构成闭合曲线。针对闭合曲线中可能出现的"孤岛",该算法可自动识别并依据其数量对图形重新分割取点。结果表明FBIA算法具有搜索快、效率高等优点,可广泛应用于各种二元位相型元件CIF格式掩模板数据的生成。

新型5×5分束达曼光栅的设计与制作

基于理论设计了一种面内旋转对称的新型5×5分束达曼光栅,研究并优化了光栅制作中曝光、显影及深刻蚀等关键工艺参数。采用接触式曝光和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术,在石英基底上制作出达曼光栅结构。实验中通过优化石英基底上接触式曝光时间和显影时间,较好控制了曝光图形失真;进一步通过控制ICP刻蚀工艺参数,获得了刻蚀深度为（750±10）nm的石英衬底,实现了达曼光栅器件的制备。通过衍射光学特性评测得到了理论设计的零级衍射场均匀分布的5×5点阵,总的衍射效率达到53%,不均匀性仅为0.19%。实验证明了理论设计与工艺技术的可靠性,为达曼光栅器件的集成光学系统应用奠定基础。

利用飞秒激光双光子聚合法制作达曼光栅

使用中心波长为800nm的飞秒激光振荡器,通过研究双光子聚合工艺,得出降低加工功率、曝光时间以及提高加工速度,有利于空间分辨率的提高.在上述研究结果的基础上制作了一个1×7点阵的达曼光栅,制作结果表明双光子聚合技术在制作微光学元件方面有着非常好的应用前景.

基于模拟退火算法下多位相型达曼光栅分束器的设计

针对传统达曼光栅分束器衍射效率与光强度均匀性低等问题,提出了一种基于模拟退火算法下多位相型达曼光栅分束器的设计方法;基于标量衍射理论,对多位相型Dammann光栅分束器的相位结构设计进行研究;在原二值型突变点坐标的基础上,使用模拟退火算法对光栅一个周期内的位相结构进行离散、调制,并合理的控制目标函数来对相位结构进行优化设计;其次,以9×9点阵Dammann光栅分束器的位相结构设计为例进行仿真分析,得到了衍射效率为85.3%、光强不均匀性为0.0952%、均方根误差为8.2×10-5的位相型分束光栅;最后,进行实验验证,得到衍射效率达到73.5%、光强不均匀性达到10.0%、均方根误差达到0.255;结果表明,该方法具有优越性和实用性,为实际应用中三维测量结构光的产生提供了理论基础。

三圆环型达曼光栅衍射与缺级

光栅和光栅衍射是波动光学中的一个重要内容，讨论利用多个圆环衍射的圆环型达曼光栅的衍射现象．首先设计了一种三圆环型达曼光栅，然后解析推导了圆环型达曼光栅的光强分布规律，并数值分析了其中出现的缺级现象，从而使学生对光栅及光栅衍射有一个更深入的了解．

基于光敏材料的达曼光栅的制备

图形化取向层通常可用来调制光学性质,如偏振,相位和强度.光取向技术是用于制备图形化取向结构的最有前景的技术之一.通过将图形化光取向技术与向列相液晶相结合,可以制作电可调谐液晶器件.使用向列相液晶E7制作并测试了可调谐达曼光栅(DG),并评估其性能.实验结果表明:对于制备的DG,衍射效率为76.8%,均匀度为0.11.通过在DG加电压(10V),从开启状态到关闭状态的切换时间是70us,从关闭状态返回到开启状态是3.4ms.所设计的DG具有可调谐,低成本,偏振无关,快速可切换的优点.

中科院科研装备研制和改造项目“达曼光栅的飞秒测量系列装置”近期通过验收

2006年10月20日．中科院综合计划局在上海光机所主持召开了院仪器研制项目“达曼光栅的飞秒测量系列装置”验收会。验收会专家听取了该项目的负责人周常河研究员的工作报告，审查了测试报告，用户使用报告和经费决算报告等资料，并到实验室现场进行了考察。

达曼光栅50年:历史演进与新机遇

本文简要介绍了达曼光栅的相关原理及理论,并从历史演化发展脉络出发,梳理了达曼光栅在50余年发展历程中的标志性进展与代表性成果,同时简略介绍了达曼光栅在相关领域的应用。达曼光栅是衍射光学、计算机全息图与二元光学等学科交叉的产物,如今已发展成为现代光学中的重要基础元器件之一。随着光计算的再次兴起,达曼光栅与液晶、超表面及平面集成光路等技术的融合使其在未来的发展中面临新的机遇与挑战。

基于高阶抑制达曼光栅的微透镜阵列焦距的快速测量

提出了一种用高阶抑制二维达曼光栅作为分光元件替代普通衍射光栅实现微透镜阵列焦距快速测量的方法。高阶抑制二维达曼光栅具有优良的分光效果,且高阶衍射级次能够得到有效抑制,通过信噪比的提高降低焦距测量误差。设计并制备了一分五的高阶抑制二维达曼光栅,分束后的光束经过微透镜,在其焦面附近形成高对比聚焦光斑阵列。相比常规一维光栅,所提方法通过测量每个微透镜焦面内光斑两两之间的距离,得到多个焦距值,从而有效减少测量的随机误差。实验结果表明,该方案对微透镜阵列焦距的单次测量误差小于3.5%,重复测量误差在4.5%之内。该方案对微透镜阵列的焦距分布快速评估具有实用价值。

利用达曼光栅灰度图去除零级光干扰

液晶空间光调制器(LCSLM)加载计算全息图实现激光分束时,会在焦平面处产生零级光干扰,为了解决这一情况,提出一种加载达曼光栅灰度图至液晶空间光调制器的方法,利用相消干涉,从而消除零级光干扰。基于模拟退火算法,求解出相位转折点集,在VirtualLab中进行仿真模拟,利用MATLAB软件编写生成达曼光栅灰度图的脚本文件,搭建基于硅基液晶空间光调制器(LCOSSLM)的验证系统,对调制效果进行测验。结果表明:通过加载达曼光栅灰度图进行激光分束,在CCD视场内明显去除了零级光干扰,且实际分束效果与仿真模拟结果相近,在一维五分束下的分束均匀度达97.190%,优于GSW算法生成的光栅形式全息图的调制效果。以大光点间距进行一维二、七分束的效果观测,分束均匀度分别达98.453%、96.820%,又进行二维分束观测,测量分束均匀度可达95.436%,且均未在CCD视场内观测到零级光。

飞秒激光直写辅助等离子体刻蚀制备达曼光栅器件

采用飞秒激光直写技术在蒸镀在薄膜铌酸锂的金属铬膜上加工掩模版,结合电感耦合等离子体刻蚀技术,将掩膜图案转移到薄膜铌酸锂上,成功在薄膜铌酸锂平台上制备出了220 nm厚的具有高保真度的达曼光栅器件。采用波长为532 nm的连续激光器作为光源,搭建了测试光路,对光栅结构的衍射性能进行了表征。测试结果表明:制备的二维达曼光栅表现出良好的分光结果,能够衍射出分光阵列数为2×2、3×3、4×4的均匀光强点阵,制备的涡旋达曼光栅具有较高的涡旋光束产生效率,能够衍射出分光阵列数为1×2的涡旋光束阵列,耦合实验结果与理论仿真结果吻合。

64×64点阵达曼光栅的设计与实现

分析了偶数点阵达曼光栅的设计原理与特性。利用数值优化方法 ,获得了一组 6 4× 6 4点阵达曼光栅解。光栅模版用电子束制版法制成 ,其最细线宽为 2 .5 μm。用光刻法实现了这一位相光栅 ,并比较了不同位相光栅制作法的优缺点。原子力显微镜测得的光栅深度曲线与 6 4× 6 4点阵实验结果表明 ,此光栅结果接近理论值。

相干激光阵列的逆达曼光栅合束孔径装填实验研究

提出一种相干激光阵列合束孔径装填的新方法,采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合束装填为远场单一主瓣的光束,给出了相应设计方案,并进行了模拟相干激光阵列合束孔径装填的原理性演示实验。实验结果表明,这是一种实现高功率和高亮度激光的有效技术方案。逆达曼光栅用于相干阵列激光合束是基于远场衍射原理,阵列面和光栅面为严格的傅里叶变换关系,具有原理简单、性能稳定可靠的特点,能够控制输出光束尺寸及其远场光束宽度,对于发展紧凑型、轻量化和高光束质量的高功率激光器系统具有重要意义。

基于反射式达曼光栅的频率分辨光学开关装置

采用反射式达曼光栅对飞秒激光进行分束,可以避免材料色散的影响.搭建了利用反射式1×2达曼光栅为基础的频率分辨光学开关(FROG)装置,并把测量结果与传统多发频率分辨光学开关装置的测量结果进行了对比.理论和实验结果表明,当输入脉冲宽度大于50 fs时,用达曼光栅作为分光器和使用分光镜分光的效果是一样的;当输入脉冲的宽度小于50 fs时,用达曼光栅作为分光器引入的展宽量明显小于分光镜引入的展宽量,尤其是当输入脉冲的宽度小于20 fs时用达曼光栅作为分光器的效果更为突出.

用反射式达曼光栅产生飞秒激光双脉冲

采用反射式达曼光栅建立了一种产生飞秒激光双脉冲的新装置.由于采用反射式结构,避免了材料色散和吸收导致的脉冲畸变,并构建了一台二次谐波-频率分辨光学开关装置对产生的双脉冲进行了测量.实验结果表明可以实现脉冲强度相等、时间宽度相同、不同间隔的双脉冲输出.产生双脉冲的装置在飞秒激光领域有着应用的价值.

二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究

采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合成为远场单一主瓣光束是一种实现高功率和高亮度相干合束的技术方案。以5×5和32×32二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析,同时分析了逆达曼光栅相干合束实验中相位板相位误差、逆达曼光栅对准误差和放置角度误差对合束效率的影响。理论分析及数值模拟计算结果表明,逆达曼光栅可用于相干激光阵列合束,但误差对相干激光阵列合束效率有较大的影响。因此,在实验中乃至发展基于逆达曼光栅的高功率激光器系统时,需要减小相位补偿板的相位加工误差,精密调节逆达曼光栅的位置,以减小误差对于合束效率的影响。

二维固体激光阵列逆达曼光栅相干合束技术模拟研究

采用逆达曼光栅将二维锁相相干的激光阵列进行相干合束并进行孔径装填是获得远场单一主瓣大功率高光束质量激光输出的一种有效技术方案,将其应用于大尺寸5×5固体激光相干阵列相干合束中,并进行了固体激光阵列合束孔径装填的理论分析和原理性验证实验,测量了系统的实际合束效率,同时进行了后焦面逆达曼光栅的加工和放置误差对合束效率影响的详细分析。实验结果表明,逆达曼光栅用于固体激光阵列相干合束是一种有效的技术方案,且可以通过调节光栅周期和傅里叶透镜焦距来适应系统对激光阵列占空比的要求。这对于开发基于逆达曼光栅相干合束的高功率高光质量的全固态激光系统具有重要的意义。

基于圆环达曼光栅整形的环形光抽运的Nd…YAG声光调Q涡旋光激光器

研究了圆环达曼光栅(CDG)整形的环形光抽运的声光调Q Nd…YAG激光器。该激光器的腔体由激光晶体、声光调制器以及平面输出耦合镜组成。所用抽运源为光纤耦合808nm半导体激光器,其发射光经过CDG发生一级衍射,产生的环形光场强度分布用于端面抽运Nd…YAG激光晶体。实验获得了高光束质量、线偏振、且具有螺旋相位的主动调Q脉冲光输出。当吸收抽运功率为5.6 W、声光调制器工作频率为5kHz时,激光脉冲的平均功率为470mW,峰值功率达到588 W,脉冲宽度为160ns。