YG算法设计分数傅里叶变换衍射光学光束整形器件

针对分数傅里叶变换衍射光学光束整形器件,比较了按离散点与按菲涅耳积分计算得到的变换矩阵间的差距,从中分析得出按离散点计算的变换矩阵引入的离散化误差与分数傅里叶变换系统参数的关系.模拟计算结果表明,该离散化误差不能忽略.为了在输出面上得到真实的光强分布,应采用菲涅耳积分计算其变换矩阵.鉴于该变换矩阵非幺正,本文利用YG算法进行了光束整形器件的设计.

光谱色散匀滑技术与衍射光学器件联用性能的空间频谱分析

基于空间频谱分析方法,建立了光谱色散匀滑技术(SSD:SmoothingbySpectralDispersion)与衍射光学器件(DOE:DiffractiveOpticalElement)联用性能的简化分析模型,为SSD与DOE联用时,SSD参量的优化提供了理论依据.数值模拟了SSD各参量,包括脉冲时间、调制频率、位相调制系数、光栅线色散系数等对束匀滑性能的影响.模拟结果表明,SSD参量经过优化选取,且波前畸变随时间快速变化时,能获得良好的束匀滑性能.

大口径衍射光学束匀滑器件的研制

采用爬山 -模拟退火混合优化算法 ,选取合适的权重因子 ,改善了衍射光学束匀滑器件的设计性能 ,其顶部不均匀性小于 1 % ,能量利用率优于 95%。采用旋转镂空掩模板 ,加工出 1 80的束匀滑器件 ,并进行了实验研究 ,获得了较好的束匀滑光强包络。为获得真实的束匀滑分布、改善顶部均匀性、提高抗波前畸变宽容度 ,选取特定的焦面采样间隔进行了精细化设计。

方形单元衍射光学阵列器件实现近圆形均匀焦斑

本文以方形激光输入、圆形均匀焦斑输出为例，分析比较了整体式和阵列式衍射光学器件获取圆形均匀焦斑的能力通过在阵列式器件方形单元间附加线性相移来改变各子焦斑的相互位置、重叠区域，从而逼近于一定直径的近圆形均匀焦斑该方法将二维问题转化为一维，减少计算量采用基于爬山法与模拟退火法相结合的混合算法设计相位分布结果表明了该方法的有效性。

菲涅耳区衍射光学束匀滑器件的设计

采用精细化设计方法 ,进行了菲涅耳区衍射光学束匀滑器件的设计 ,利用爬山 模拟退火混合优化算法 ,获得了真实的束匀滑分布 ,不仅控制了算法采样点上的光强分布 ,还控制了其他非采样点上的光强分布。优化得到的束匀滑器件的位相深度小于π ,易于后续加工。

光谱色散匀滑技术对衍射光学器件束匀滑性能的影响

模拟分析了光谱色散匀滑技术对衍射光学器件束匀滑性能的影响。光谱色散匀滑技术的使用提高了衍射光学器件的抗波前畸变能力 ,降低了对加工精度的高要求。

超衍射分辨率的微光学器件

本文综合了菲涅耳透镜在焦面处能量集中和圆锥透镜在传播范围内无扩散的特点，设计了一种新型的超衍射分辨率的微光学器件，实现了在沿光轴方向约１ｍｍ范围内光斑直径（４０μｍ）基本保持不变的性能，采用二元光学原理设计成８位相的微光学器件并用微电子工艺研制加工。本文推导了设计该器件结构参数的公式，对器件的性能作了计算机模拟计算和实验测试，得到二者相一致的结果。

衍折射设计用于均匀照明的衍射光学器件

在工艺上衍射光学元件是通过相位板来实现的,由于其多台阶化产生的不连续性,会对目标光场产生sinc调制,产生高级次衍射斑,损失了15%或者更多能量。通过对设计衍射光学器件的传统的IO迭代算法进行了研究,提出了一种与衍折射相结合的设计方法,在衍射光学器件的部分区域形成一块连续相位区域,减少了相位片台阶化区域的光强和衍射斑的强度。通过逐步变化连续相位对输出光强情况的影响的研究,可以优化相位参数,使入射到输出面的光束保证一定匀滑性的前提下,提高目标光场区域的衍射效率达到90%以上,能够满足均匀照明的要求。

同时实现多角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件

本文利用长焦深器件设计思路 ,提出了通过设计衍射光学器件相位分布使得在三个垂轴面上满足均匀照明要求来间接实现非垂轴面均匀照明的设计方法 ,并完成了同时实现多种角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件设计 .基于爬山法和模拟退火法相结合的混合算法 ,设计了器件的相位分布 ,在 3 0°、45°、5 5°非垂轴面上光斑不均匀性分别为 5 .91 %、4.0 0 %、3 .3 8% .该方法可推广至二维情形 ,实现任意曲面均匀照明的要求 .

基于衍射光学器件的多自由度测量仿真研究

提出了基于衍射光学器件的单光束多自由度测量的新方法。描述了该方法的基本原理,建立了相应的激光干涉系统的数学模型,设计了一种能够产生多自由度测量信息的衍射光学器件。分析了干涉场光强信号特征与目标各平动和转动量之间的关系,给出了仿真计算结果。该方法原理简单,测量效率高,并能提供较高的测量分辨率和测量精度。

实现Nd:YAG光束匀滑的衍射光学器件的研制

采用爬山 -模拟退火混合优化算法与旋转镂空掩模板工艺 ,针对基频光与三倍频光 ,设计并加工出口径 80 mm的连续位相衍射光学器件。在脉冲工作的 Nd:YAG激光器上 ,实验研究了器件的光束匀滑性能 ,获得了与设计尺寸相符合、边缘陡峭、但包含较大顶部调制的光斑。

提高二元光学器件衍射效率的准连续编码策略

基于标量衍射理论，二元光学器件的衍射效率，微结构误差对衍射效率的影响，提出了一种准连续编码方法，并给出了加工非２ｎ台阶所需掩模板的具体形式。在一定的加工条件和工艺水平下，采用这种编码方法，可以不增加加工成本和工序，仅通过新颖的掩模板设计方法充分利用现有加工条件和设备，使二元光学器件的衍射效率得到很大程度的提高。从而不仅能使一般混合系统的效率得到提高，更能充分发挥混合光学系统的成像能力。此编码方法的采用有利于推进二元光学器件的实用化。

衍射光学器件的激光辅助制造

衍射光学器件 DOE是基于衍射光学原理制成的微光学器件。采用类似于微电子加工手段的激光辅助制造技术——激光直写技术 ,可以制作具有高衍射效率的 DOE。激光直写系统的性能 ,比如光强控制、坐标定位以及自动对焦等 ,直接影响制成器件的衍射效率。

突破光学衍射极限,发展纳米光学和光子学材料及器件

微电子学(Micro-electronics)已突破Moore定律,进入纳米电子学(Nano-electronics)时代。光子的传播速度(1012cm/s)比电子传播速度(109cm/s)快得多,纳米光学和光子学材料及器件的发展正是迎合这种快速和高密度信息技术的需求。先进的纳米光学和纳米光子学器件应该是快速、高分辨率和高集成的,形成各类光学和光子学芯片和盘片。先进的材料是突破各类功能芯片的关键。在各类电子学以及光学和光子学的纳米芯片和器件制造过程中,纳米刻蚀工艺是一个关键。与电子束、离子束和X射线刻蚀工艺相比较,光刻是一种易控制、大面积、高速度和低价格的制造工艺。目前,光刻分辨率受限于光的衍射极限,分辨率取决于Airy斑的大小,主要靠缩短光束的波长和增大物镜的数值孔径来提高,已接近可达到实用化纳米光刻的极限。突破光的衍射极限,在光的远场和近场应用超分辨率技术,是当前重要的前沿课题。发展用于光学超分辨率的各种功能材料以及新的刻录介质材料是这一新的重大创新技术的关键。

衍射光学器件光线追迹公式的实验验证

本文介绍了一种衍射光学器件光线追迹的方法，并给出了计算公式。作为验证，在实验室里制作了具有连续相位的体全息器件，将其实际再现光斑与计算点列图进行比较。构造透射体全息片的物光为离轴的球面波，始于轴外点Ａ（０，１３２ｓｉｎ８°，－１３２ｃｏｓ８°），参考光为平面光束，其与Ｚ轴夹角为１７°。激光器采用氩离子激光器（Ｓｐｅｃｔｒａ－ｐｈｙｓｉｃｓＭｏｄｅｌ２０２０），波长４８８ｎｍ；干板感光胶为重铬酸明胶（ＤＣＧ），胶层厚为１５μｍ；通光口径３０ｎｍ。测试时把全息片放在干板的位置。挡住物光，让再现光以和参考光路相同的路径平行入射到全息片上，在全息片后垂直光轴放置毛玻璃片，平行光轴移动毛玻璃片，可观察到－１级衍射光的变化。在距离原点的距离分别为（ａ）４０ｍｍ，（ｂ）７０ｍｍ，（ｃ）８７ｍｍ，（ｄ）９５ｍｍ的地方用ＣＣＤ拍摄了衍射光的形状。

履带式运动柔性衍射光学器件抑制激光散斑及其耐久性实验

为了有效抑制激光散斑,真正实现激光显示和成像系统的大色域、高亮度和超优画质,提出了基于履带式运动柔性衍射光学器件(Diffractive Optical Elements,DOE)的散斑抑制方法,对柔性衍射光学器件的设计、制造、耐久性和散斑抑制效果进行了研究。首先设计了柔性衍射光学器件的光学结构,并描述了履带式运动柔性衍射光学器件形成动态二维衍射编码的机理;接下来介绍了柔性衍射光学器件的模板制备、热压成型、连接成环的工艺方法;之后搭建激光投影显示系统对所研制的聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)和聚丙烯(Polypropylene,PP)两种材料的柔性衍射光学器件的散斑对比度和耐久性进行实验研究。实验结果表明,提出的基于履带式运动柔性衍射光学器件的激光散斑抑制方法,可将红绿蓝三色激光的散斑对比度降低到5%以下,同时系统具有小型化、低功耗的优点。在长达三十天的耐久性实验中,聚氯乙烯和聚丙烯两种材料的柔性衍射光学器件都没有明显形变和散斑抑制效果的衰减,且PP材料柔性DOE比PVC材料柔性DOE散斑抑制效果更明显、耐久性也更好。满足大色域、高亮度、超优画质的要求,并具有小型化、低功耗、高可靠的优点。

基于谐衍射的红外中波/长波双波段视景仿真光学系统设计

针对红外中波/长波双波段制导系统性能测试与评估的需求,设计了一套基于数字微镜器件的红外双波段视景仿真光学系统,包括投影镜头和照明系统。讨论了大出瞳距、大后工作距情况下红外双波段投影系统的像差特性及设计方法,采用反摄远结构和谐衍射面结合的方案,解决了由双波段、大出瞳距离和大后工作距带来的系统彗差、像散、畸变以及色差难以平衡的问题。采用柯勒式直接照明的方案,解决了斜入射情况下均匀照明的问题,提高了光能利用率并有效地控制了杂光的影响。最终仿真系统全视场角为5°,F#为2.4,出瞳距离190 mm,出瞳直径84 mm,系统畸变小于0.1%,中波时系统奈奎斯特频率36 lp/mm下各视场调制传递函数大于0.4,长波时中间频率20 lp/mm处传递函数均大于0.38;照明均匀性高于98.5%。满足红外中波/长波双波段高质量模拟仿真的需求。

任意点阵衍射图形的DOE优化设计

本文利用模拟退火算法对任意点阵衍射图形的纯相位衍射元件进行了优化设计，针对收敛性和收敛速率对算法进行了适当修正。

金刚石车削在红外衍射光学元件加工中的应用

衍射光学元件 (DOE)技术的发展和应用极大地改变了传统光学设计和制造方法。尤其在红外光学系统中 ,由于谱段的优势 ,折衍射混合式光学元件的应用得以快速推广。

微光学器件及其应用前景

本文简述了几种微光学器件的研制及其应用前景。讨论了微光学在促进光学传感器小型化方面的作用，展望了微光学、微电子与微机械三者组合集成的发展趋势。