近场通信与定位:从球面波前模型到电磁场理论

介绍并推导了电磁衍射域的感应近场区域、辐射近场区域、菲涅尔区域和远场区域的边界条件和辐射特征。针对辐射近场区域的通信,介绍了球面波前模型,认为通过球面波前模型可以正确地建模近场通信信号。针对辐射近场区域的定位,球面波前模型不再准确,因此采用电磁场理论去建模近场信道,并提出了一个通用的近场定位模型,进而基于估计理论推导了近场定位的克拉美罗界。

利用严格模式理论分析光栅透镜的衍射特性

光栅透镜因其独特的光学性能而具有广泛的应用.根据光栅透镜的线宽和间距微小渐变的特点,建立了光栅透镜的物理模型,并利用严格模式理论对其衍射特性进行分析.该方法物理概念清晰、公式简洁.对光栅透镜实现谐波分离、聚焦功能时的衍射效率与槽深关系的计算结果表明,其计算速度快、数值计算结果准确可靠.并对加工误差的影响进行了模拟计算,说明了在当前的微细加工的工艺水平条件下,能够制作出满足ICF系统要求的光栅透镜.实验上制作了尺寸为100mm的大面积光栅透镜,其衍射效率的实验测试结果与理论计算结果一致.

运用严格耦合波理论计算平面电介质光栅的衍射效率

本文阐述了严格耦合波理论的基本思想。针对横电波的情况，详细分析了运用严格耦合波理论实现光栅衍射效率计算的方法，并且进一步给出了编制计算衍射效率程序的步骤。通过一个具体计算实例表明：各衍射级分布的光能量之和等于入射光的能量，满足能量守恒定律，从而证实了计算结果的正确性。

基于严格耦合波理论的新型耦合光栅分析

针对波导全息平视器中一种新型的耦合光栅结构,基于严格耦合波理论数值分析了其衍射特性,同时对光栅的工艺容差进行了分析,计算了膜厚、槽深、周期与入射波长对耦合效率的影响.该光栅以波导板中内嵌的闪耀光栅锯齿面作基底,镀高折射率的膜层后,覆盖锯齿状的金属膜层.计算结果表明:对于波长532,nm的TE偏振光,空气中0°入射的一级衍射效率可大于90%;当空气中入射光的纵向角在[-8°,12°]、横向角在[-15°,15°]内变化时,一级衍射效率可大于82%且保持平稳.该光栅可在波导全息平视器中,对大视场成像光束进行均匀、高效的耦合.

光折变相位栅衍射动态特性的严格耦合波分析

利用严格耦合波衍射理论分析了光折变体相位光栅的衍射问题 ,给出了光折变二波耦合动态特性的严格耦合波分析及其对入射光束夹角和初始入射光强比的依赖关系 .实验上对掺铜 KNSBN晶体二波耦合的动态特性进行了测量 。

严格耦合波法计算体布喇格光栅衍射效率

为了获得更精确的光栅衍射效率,采用严格耦合波理论建立体布喇格光栅衍射机理模型,分析了运用严格耦合波理论实现体光栅的衍射效率计算,并利用正交Legendre多项式展开法求解耦合波方程,取得了体布喇格光栅衍射效率稳定的数值解,得到的仿真结果符合理论计算。结果表明,相对于矩阵法,该算法具有更好的收敛速率,且比Ko-gelnik耦合波理论解法更精确。

光折变各向异性自衍射动态特性的严格耦合波分析

利用严格耦合波衍射理论分析光折变相位光栅各向异性自衍射的动态特性 ,并以Ce:KNSBN晶体进行了实验验证 .

太赫兹缝隙衍射的严格求解方法

基于严格电磁场理论和结构拓展思想,提出了太赫兹缝隙结构衍射的严格物理模型,得到了太赫兹缝隙衍射情形下入射、衍射和透射区域内电磁场基本模式的严格表达。数值计算表明太赫兹波在晶体(砷化镓)、非金属(FR-4)等材料缝隙的透射系数与太赫兹波频率的变化趋势大体相似,得出缝隙材料对太赫兹波的透射系数影响不明显;但是,缝隙的个数、材料的种类以及基底材料的厚度对太赫兹缝隙衍射最大透射系数的影响明显。本文方法也可用于研究太赫兹波亚波长区域内、微纳光学元件体内衍射传输等问题。

亚波长单缝衍射的严格求解

基于严格电磁场理论,该文提出了一种半解析方法用来严格求解亚波长单缝的衍射,同时也给出了亚波长双缝衍射场的相关表达式。数值模拟计算结果表明,单缝衍射场中光强最大值均位于缝隙结构体内;随着透射深度增加,极大光强值的个数增加,衍射场空间分布改变等。该文方法可用来研究分析亚波长区域内光束的衍射传输等问题。

取样光栅的设计及衍射行为研究

设计了用于惯性约束核聚变系统的取样光栅。利用光全息学的基本原理,设计了记录全息取样光栅掩模的消像差光学系统,并使用光学设计软件ZEMAX分析了它的像差;还利用严格耦合波理论对取样光栅的衍射效率问题进行了深入的研究。研究发现,在占宽比和槽深这两个光栅结构参量中,槽深的变化对衍射效率更敏感。这些都为取样光栅的实际制作提供了有意义的结果。

任意面形介质光栅的衍射特性分析

采用严格耦合波理论(RCWA)和多层近似法,详细的推导了任意面形介质光栅的衍射问题,得出了其矩阵求解方程,并采用增强透射矩阵法来避免直接求解带来的数值不稳定,提高了计算效率。使用该方法对梯形光栅进行了数值计算,结果表明采用严格耦合波理论和多层近似法,可以方便、有效地求解任意面形介质光栅的衍射效率问题,计算中光栅在不同参数下衍射效率的总和严格等于1,且未有数值不稳定性问题。

凸球面矩型槽光栅的衍射特性

本文在用耦合波理论研究平面光栅的基础上,提出了分析和解决凸球面光栅衍射效率问题的方法,并从中得出一些有意义的结论：在凸球面光栅的口径半径比较小时,求解其衍射效率可以转化为平面光栅问题来处理。

制作光纤光栅用相位掩模的衍射行为研究

利用严格耦合波理论对用于光纤光栅制作的相位掩模的衍射特性进行了深入的研究。研究发现，在紫外写入波长（248nm）下，为了使零级衍射效率〈5％，且±1级的衍射效率〉35％，相位掩模的刻槽深度必须控制在230．280nm。占宽比必须控制在0．48～0．65。同时，与标量衍射理论的结果进行了分析对比。这些都为相位掩模的实际制作提供了有意义的结果。

亚波长介质偏振分束光栅的衍射特性

采用严格耦合波理论并结合矩阵LU分解法,分析了亚波长介质光栅的刻槽深度、占空比、入射角、入射波长等参数对TE偏振和TM偏振0级衍射效率的影响。结果表明:在1550 nm波长处,出现瑞利反常现象。由此提出利用瑞利反常现象设计工作波长为1550 nm的偏振分束光栅,通过优化设计确定了最佳设计参数,即光栅周期为λ0/2,瑞利入射角为30°,刻槽深为0.9λ0,占空比为0.5。结果表明,参数优化后的偏振分束光栅可以使TE偏振0级反射波和TM偏振0级透射波同时达到近100%的衍射效率。

光导板中新型衍射元件的数值模拟研究

基于严格耦合波理论,数值计算了一种在闪耀斜面镀膜的亚波长光栅结构,并首次提出将该光栅应用于光导板的设计中,使光导板衍射的RGB光束无需经过滤色片,直接透射相应的像素点。在数值计算中,设定入射光为TE偏振态、入射角为60°、波长为RGB三基色。光栅以有机玻璃为基底,二氧化钛为膜层,并随波长改变周期、闪耀角等参数。计算结果表明,该光栅的一级衍射光可垂直于表面出射,一级衍射效率随膜厚渐变,最高达37%,其余非零级次的衍射效率低于2%。将该特性的光栅应用于新型光导板的数值建模中,并对光栅的制作进行了工艺容差分析,计算得归一化能量的标准差小于1%,总衍射效率接近80%。

分层媒质中索末菲积分近似条件的严格证明

提出了三层分层有耗媒质中电磁场理论经常遇到的索末菲 (Sommerfeld)积分近似条件的正确形式 ,并给出了严格证明。

衍射光栅分析软件构建与使用

详细介绍了一套自主开发设计,基于标量衍射理论和严格耦合波分析方法,运行于Matlab平台下的衍射光栅分析软件,它将各种各样的光栅按照面形结构的不同,分类进行分析。首先简要介绍了Matlab环境中软件的构建步骤,对一些关键命令作了简要说明。然后对本软件所具有的功能一一举例,详细说明软件的使用方法。

DMD衍射效应及其产生的杂散光分析

针对数字微镜器件(digital micromirror device,DMD)衍射效应对系统成像影响严重的问题,对DMD元件产生的杂散光进行研究。基于严格耦合波理论构建了DMD衍射模型,分析不同波段和入射角度对其衍射效率的影响,分析结果表明,在长波红外波段DMD衍射效应较明显,且随着入射角度增大,DMD衍射效应更为显著。分析投影系统中DMD的衍射杂光产生途径,通过改变系统的F数来控制入射角度,计算出DMD衍射效应产生的杂光能量占比,给出不同波长下,不同F数的光学系统杂光随衍射效应的变化曲线,即F数越大,DMD衍射效应对系统杂光影响越小。

非傍轴矢量高斯光束单缝衍射的严格理论

提出非傍轴矢量光束衍射严格的电磁场理论,并以非傍轴矢量高斯光束的单缝衍射为例加以说明.与基于矢量瑞利-索末菲衍射积分推出的解析结果做了数值计算比较,表明了二者的一致性.对理论的进一步推广做了简要讨论.

《衍射光学元件的计算机设计方法》

本书由俄罗斯科学院萨马拉图像处理系统研究所的研究人员撰写,北京清华大学金国藩院士主持翻译,《红外与激光工程》编辑部编辑、天津科学技术出版社出版。涵盖了衍射光学元件的基本特点、衍射光学元件常用迭代设计方法、基于电磁场理论的亚波长元件的设计方法、衍射光学元件的加工方法等，