《光学学报》“现代光学设计与制造”专题前言

光学设计与制造是一门古老而又新颖的学科。昔日,伽利略用望远镜观察宇宙,列文虎克用显微镜探索微观世界,达盖尔用照相机记录世界,他们一次次地丰富了人类的视野,推动了人类的进步;如今,光学系统正在突破传统结构的限制,将曾被认为不可能的目标一一达成。人类已能够借助现代光学系统探索更深邃的宇宙,观察更细微的生命组织,制造更微小的电子器件。现代光学设计与制造已经深入到人们生活、生产、科研等方方面面,在人类探究未知世界的奥秘中发挥着巨大的作用。

《光学学报》现代光学设计与制造专题征稿

传统光学成像系统设计中,主要通过将光学透镜面型复杂化、结构复杂化、使用特殊材料等实现像差校正,从而实现准确聚焦与成像的功能,这使得实际光学成像系统结构复杂、体积庞大,难以满足对现代光学系统小型化、轻量化、集成化等要求。此外,复杂面型、复杂结构的光学设计也使得光学元件加工设备和加工工艺面临着巨大的挑战。

大功率激光扩束器的光学设计

为了使激光扩束器可以长时间的工作于大功率激光照射情况下,在传统多波长激光扩束器的基础上,利用变更材料和结构的方法进行改进,设计了2.3倍和6倍两级扩束的激光扩束器,用光学设计软件分析其像质并进行优化,对像质进行理论分析;加工成型后,置于实际环境中进行实验。经实验验证,在调Q脉冲激光器的峰值功率高达20MW的大功率激光照射下,在系统后1m位置出射光束直径分别为24.5mm和154.8mm,脉冲间隔可以在5s以上,并很好地保持了高斯光束的固有特性。结果表明,扩束器完全达到设计要求,有良好的使用效果。

折衍混合紫外告警光学系统设计

为了满足紫外告警系统在军事方面的应用,采用二元衍射元件和非球面元件,设计了一种日盲紫外告警的光学系统,其工作波长范围为240nm～280nm,视场角为40°,采用"负-正"型式的反摄远镜头结构,仅由5块透镜构成,此镜头结构简单、体积较小、能量集中度高。结果表明,此设计方案能很好地解决紫外镜头轴外像差校正的问题,使点列图能量集中,小于紫外CCD的像素,满足紫外告警设计要求。

硬盘盘片表面疵病检测装置的光学系统设计

为了检测硬盘盘片表面疵病的大小是否符合标准,设计了一种检测装置。采用光的散射理论,结合硬盘盘片表面疵病的粗糙度等级和实验结果,利用光照射到粗糙表面时发生的散射现象、散射光的特性以及散射模型建立的理论基础,对4种散射模型进行了分析和比较。并以混合型散射模型为基础,利用光学设计软件完成了该检测装置的光学系统设计。结果表明,混合型散射模型的散射角最大、散射能量密度最大,最适合用于反映硬盘盘片表面疵病造成的散射现象。

用于光束匀滑的连续相位板设计

为了满足大型激光装置中驱动源聚焦光斑的均匀光强分布、高能量利用率和小旁瓣等特殊要求,提出了采用追迹法和改进G-S算法相结合的连续相位板设计方法。进一步采用衍射积分方法模拟了该连续相位板的光学性能,计算得到其产生的焦斑具有类似24阶超高斯分布,其顶部光强均方差σ_(RMS)=0.35%、顶部调制度γ=1.33%、能量利用率η=99.79%。结果表明,该方法不仅具有追迹法计算简单、运算量小的优点,而且克服了G-S算法容易陷入局部最优的缺点。采用该方法设计的连续分布,解决了加工难题,从而也提高了相位板的匀滑性能。

光子晶体双通道可调谐偏振滤波器的设计

为了设计双通道可调谐偏振滤波器,利用特征矩阵法,通过对设计出的一维掺杂光子晶体的数值计算和理论分析,得出了两个偏振态缺陷模的透射峰的变化特征为：TM波其缺陷模透射峰在入射角大于0.75 rad范围内有多条明显的缺陷模透射峰带,而TE波在入射角大于0.75 rad范围内没有缺陷模透射峰;TM波缺陷模透射峰的波长随杂质光学厚度近似呈线性变化,并且同一空气膜厚度值可以截到两个波长不同的透射峰。以此为基础可设计出：滤波通道波长可调范围大于100nm、滤波通道的半峰全宽可调范围在1nm～6nm、滤波通道透射峰值大于0.98的一维光子晶体双通道可调谐偏振滤波器。该设计在波分复用技术中有重要的应用价值。

CD物镜工程化设计中的若干问题

介绍了CD光学系统的工作原理和光学评价准则,讨论了设计和装配中应当注意的主要问题。从工程化的角度设计了一款可用于批量生产的CD物镜,通过对设计实例的计算分析,给出了激光器像散、制造误差、系统误差影响下物镜的光学特性曲线。设计结果不仅可以承受各种制造误差,而且能够在聚焦误差、光盘倾斜等其它误差存在的情况下,于较大寻迹范围内保持良好的光学特性,证明了该设计的实用性。

准分子激光刻蚀可变焦光路设计研究

为了研究在准分子激光刻蚀聚合物的过程中避免经常往复更换不同大小而形状相同的掩模的实验操作,保证实验的连续性和结果的真实性和可靠性,在实验的加工系统中基于变焦距系统的原理采用引入一个变焦物镜代替原来系统中普通物镜的方法,取得了一个准分子激光刻蚀可变焦光路系统.采用ZEMAX软件设计一个可变焦物镜镜头并分析了它的成像质量.经过ZEMAX软件的模拟,结果表明,此变焦镜头成像质量基本达到要求,缩小倍率在0.15～0.24范围内可连续变化.因此,使用这个变焦物镜,在同样的实验条件下,可以采用同一片掩模而不再往复更换掩模就可蚀刻出大小不同的结构;同时由于不再经常需要中断实验过程,保证了实验结果的真实性.该技术在激光蚀刻中有很大的可行性.

可见光/红外共口径模块化光学系统设计

针对战场态势感知、环境污染监测以及应急减灾等领域对全天候、全天时遥感信息的应用需求,提出了一种可见光/红外一体化空间遥感成像方案,工作谱段覆盖可见光全色/多光谱、中波红外和长波红外,不同谱段的空间分辨率分别可达到为2 m/8 m、8 m和16 m,成像幅宽大于15 km。分析确定了光学系统技术指标参数,提出了可见光/红外共口径模块化光学系统设计方案,完成了各模块光学系统和整体光学系统的设计与分析。设计结果表明,各模块光学系统和整体光学系统的成像质量均接近衍射极限,各模块光学系统可进行单独装调和测试评价,有利于实现可见光/红外复杂光学系统的模块化研制,有效降低多谱段、多焦距、一体化复杂光学系统的研制难度和研制周期,具有较高的工程应用价值。

薄膜厚度与孔径对液体透镜动态响应的影响研究

本文研究了弹性薄膜厚度、透镜口径尺寸对于液体透镜动态响应的影响。实验结果表明,采用0.5mm厚度的弹性薄膜,当透镜口径为20mm时,液体透镜在20Hz时响应稳定;当透镜口径为30mm时,液体透镜在11Hz时响应稳定;当透镜口径为50mm时,液体透镜在9Hz时响应稳定。采用1.0mm厚度的弹性薄膜,当透镜口径为20mm时,液体透镜在25Hz时响应稳定;当透镜口径为30mm时,液体透镜在15Hz时响应稳定;当透镜口径为50mm时,液体透镜在9Hz时响应稳定。

大口径连续相位板面形检测与评价

基于全局最小二乘拼接算法和图像融合算法建立了连续相位板(CPP)子孔径拼接检测算法,并根据全局相关匹配原理提出采用面形残差来评价CPP的加工面形。采用高精度动态干涉仪等设备建立了相应的检测系统,并针对430mm×430mm口径CPP开展了数值模拟和检测实验。理论计算结果表明:系统计算误差为0.005nm。实验结果表明,整个检测系统软硬件RMS误差小于5nm,基本满足CPP面形检测要求。从而验证了CPP检测和评价的正确性和可行性。

用二元位相光栅进行激光束叠加的研究

基于标量衍射理论,系统探讨了二元位相光栅实现激光束叠加的理论和位相光栅设计方法,利用新型遗传模拟退火混合算法得到优化的光栅参数,给出其用于分束和耦合时的模拟结果,并讨论实际误差对位相光栅耦合效率的影响。二元位相光栅用于激光束叠加有结构简单,调节灵活的优点,可以有效地提高激光束的功率密度和系统的整体性能。

折衍混合在长焦物镜中的应用研究

为了突破长焦物镜传统设计中的局限性,从衍射面的相位多项式出发,结合一般透镜的相位变换式,对折衍混合消像差理论进行了探讨。给出了仅使用1种材料FK1、2片型的长焦物镜系统设计结构,并将此设计结果与传统的5片型、5种材料的纯折射长焦物镜的光学性能进行了比较。结果表明,利用折衍混合能有效地校正长焦物镜的像差,极大地降低系统的重量和复杂程度,不失为长焦物镜设计的一条有效途径。

小波在基于功率谱密度特征曲线评价中的应用

为了解决功率谱密度仅仅是一种强激光条件下光学元件表面质量评价指标,无法对通过加工来消除某频段误差进行确定性指导这一问题,采用小波理论对光学元件表面误差进行了分析和试验验证,在利用功率谱密度特征曲线找到表面误差不合格频率带的基础上,利用二维连续小波变换得到了能作为加工过程反馈的不合格频率带的对应区域。结果表明,利用此方法能有效地找到特定误差频段对应的区域,从而指导加工,提高加工的效率。

大口径连续相位板远场光强的离线测试实验

为了准确测试和评价大口径连续相位板(CPP)元件的远场光强性能,根据激光装置需求建立了351nm波长下大口径CPP远场光强离线测试系统,开展了330mm×330mm口径CPP元件测试实验,并与标量衍射计算结果进行对比,分析了系统的测试重复性和测试精度。实测系统远场弥散斑大小为2.9倍衍射极限,可测试最大口径为圆形600mm和方形430mm×430mm。测试系统在焦点±2mm范围内的能量集中度测试重复性优于0.2%。计算和实验焦斑形貌及分布吻合,实测能量集中度比计算结果小0.85%、焦斑半径大13μm左右,差异由实测系统的时间匀滑作用引起,可通过缩短曝光时间和减小系统像差等措施进一步提高测试精度。

基于有限元光子晶体光纤的模场与色散分析

为了获得超平坦色散特性,且有较大的模场面积和较小的限制损耗,从麦克斯韦方程组出发,采用有限元法,在考虑到纯石英材料自身色散的前提下,进行了相应的理论分析,计算得到了光子晶体光纤的模场分布、基模有效折射率和色散系数等参量关系,可知光纤色散值的变化在±1.0ps.km-1.nm-1以内,模场面积都大于40μm2,限制损耗小于0.2dB/km。结果表明,调节空气孔直径和包层空气孔间距的大小,改变介质的填充比,可以有效地控制光子晶体光纤的色散与模场面积。

双复眼透镜间相对位置误差对光束匀化的影响

为了在激光退火工作面上获得高均匀度光斑,研究了双复眼透镜阵列光束匀化法中两透镜阵列间相对位置变化对匀化性能的影响。利用光线追迹方法,模拟了双复眼透镜阵列间6个自由度的相对位置误差与光束匀化效果的依赖关系,发现第二复眼透镜阵列的滚转角偏差是影响光束匀化质量的最敏感因素。为实现较好的匀化效果,需要对复眼透镜阵列位置进行精确控制。结果表明,使用专用镜架对透镜位置进行精确控制后,光束均匀度达到0.039。该系统成功应用于激光退火装置,实现了超浅结激光退火。

抛物镜光学补偿器设计的结构寻优

抛物镜归一和重整化后的Offner补偿器设计可以被认为是在参数空间寻优的确定化问题。通过构建抛物镜Offner补偿器优化结构实例,获得其评价函数在参数空间的分布,得到Offner补偿器设计结果参照图谱,提出一种对补偿器设计初始结构选择和性能评价的方法,结果揭示了该问题可以通过数值方法得到较好解决。

一种光子晶体开放腔的特性研究

为了研究光子晶体开放腔特性,采用平面波展开法和时域有限差分法对顶角为30°楔角的光子晶体和空气槽交替组成的新型光子晶体开放腔进行了研究。研究发现,这种结构的光子晶体开放腔在两个归一化频率范围(0.3006～0.35,0.6755～0.6851)内具有负折射特性,并且在负折射频率范围内可形成一个零光程的闭合回路;光子晶体与空气槽的分界面上有高的透射率,能够在某个波长产生共振。结果表明,可以利用共振波长随着折射率的变化而变化的光子晶体开放腔实现折射率的高灵敏度测量。