Novel Even Beam Splitters Based on Subwavelength Binary Simple Periodic Rectangular Structure

In this paper, a novel method of a subwavelength binary simple periodic rectangular structure is presented to realize even beam splitting by combining the rigorous couple-wave analysis with the genetic algorithm. Several even splitters in the terahertz region were designed and one of the silicon-based beam splitters designed to separate one incident beam into four emergent beams has total efficiency up to 92.23 %. Zero-order diffraction efficiency was reduced to less than 0.192 % and the error of uniformity decreased to 6.51 9 10-6. These results break the limitation of even beam splitting based on the traditional scalar theory. In addition, the effects of the incident angle, wavelength, as well as the polarizing angle on the diffraction efficiency and uniformity were also investigated.

用改进的两步模拟退火法进行二元光学元件的设计

为了减少二元光学元件设计的计算量并提高设计精度,在对现有算法机理进行深入分析的基础上,提出了适用于二元光学元件设计的两步模拟退火法.该算法在整个退火过程中采用先量化后优化的策略,并将优化过程分为两个阶段:搜索并锁定最优解区间;快速收敛到最优解.模拟实验显示,与传统设计方法相比,该算法不仅保持了全局寻优的特点,而且提高了稳健性和效率.算法剔除了对设计结果影响较大的量化误差,提高了设计精度.用此法实例设计了单焦面辐射聚焦元件,得到了与目标图像一致的光学实验结果.

二元光学元件横向加工误差对衍射效率的影响

横向加工误差包括对准误差和线宽误差,加工误差对衍射效率的影响是二元光学元件研究的重要问题。本文基于标量衍射理论,提出了一种与MATLAB相结合的分层计算方法,重点分析了4阶和8阶二元光学元件横向加工误差和衍射效率的关系。结果表明,控制8阶二元光学元件对准误差,可抑制衍射效率的迅速下降,适当调整线宽能够减小对准误差造成的影响。这些结果对二元光学元件的加工有重要的参考价值。该方法简便且适用性强,可对二元光学元件的加工误差进行准确分析。

高线密度X射线透射光栅的制作工艺

采用电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术,成功制作了面积为10mm×0.5mm,周期为500nm,占空比为1∶1,金吸收体厚度为430nm的可用于X射线衍射的大面积透射光栅.首先利用电子束光刻和微电镀技术制备基于镂空薄膜结构的X射线光刻掩模,然后利用X射线光刻经济、高效地复制X射线透射光栅.整个工艺流程分别利用了电子束光刻分辨率高和X射线光刻效率高的优点,并且可以得到剖面陡直的纳米级光栅线条.最后,测量了制作出的X射线透射光栅对波长为11nm同步辐射光的衍射峰,实验结果表明该光栅具有良好的衍射特性.

大尺寸衍射光学元件的扫描离子束刻蚀

总结了大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的研究进展。针对自行研制的KZ-400离子束刻蚀装置,提出了组合石墨束阑结构和多位置分步刻蚀策略来提高离子束刻蚀深度的均匀性,目前在450mm尺寸内的刻蚀深度均匀性最高可达±1%。建立了针对多层介质膜光栅的衍射强度一维空间分布在线检测系统以及用于透射衍射光学元件离子束刻蚀深度的等厚干涉在线检测系统,实现了对大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀终点的定量、科学控制,提高了元件离子束刻蚀工艺的成功率。利用上述技术,成功研制出一系列尺寸的多层介质膜光栅、光束采样光栅、色分离光栅以及同步辐射光栅等多种衍射光学元件。

二元光学元件的耦合波分析

基于Ｍａｘｗｅｌ方程组和电磁场的边界连续条件，本文导出了二元光学器件的严格的耦合波方程，指出各级次衍射波之间存在着相互耦合效应。用严格的耦合波衍射理论对二元位相光栅的衍射特性进行了分析，并与标量衍射理论分析的结果作了比较。

高衍射效率亚波长结构Dammann光栅的设计

传统的Dammann光栅是基于标量衍射理论设计的二值相位等光强分束器件,其衍射效率的典型值为80%左右.基于严格耦合波分析理论和遗传算法,提出了一种设计亚波长结构Dammann光栅的新方法,且该新型二值相位光栅具有较高的衍射效率.同时利用自编的仿真程序包设计了多个光栅,并分析了制作误差对其衍射效率和光强均匀性的影响.仿真结果表明,用该方法所设计的Dammann光栅的衍射效率超过92%.

二元光学元件制作误差的振幅矢量分析法

本文用振幅矢量法分析二元光学元件的制作误差对衍射效率的影响，以四位相台阶光栅为例导出了衍射效率与对位误差、刻蚀深度误差的解析式并进行了讨论。

密集型多重体全息光栅波长解复用技术

阐述了光折变多重体全息光栅作为滤波器实现波长解复用的原理,分析了滤波器的波长和角度选择特性,对器件设计中要考虑的问题进行了讨论。提出了实现多重体全息光栅波长解复用的实验方案和实用化要解决的问题。

光纤激光诱导背面干法刻蚀制备二元衍射光学元件

为了降低激光直接辐照透明介电材料的表面加工粗糙度和激光能量密度刻蚀阈值,提高微光学元件的产出率,介绍了一种用固体介质作吸收层,激光直接作用在透明光学材料上进行微纳加工的激光诱导背面干法刻蚀工艺。首先,选用95氧化铝陶瓷作固体材料辅助吸收层,应用中心波长为1 064nm的掺镱光纤激光器,在3.2mm厚的熔融石英玻璃表面刻蚀了亚微米尺度的二维周期性光栅结构。然后,对刻蚀参数进行拟合并探讨了激光能量密度对刻蚀参数的影响。最后,观察该二元光学元件的衍射花样图形并讨论其衍射特性。实验制备了槽深为4.2μm,槽底均方根粗糙度小于40nm,光栅常数为25μm的二维微透射光栅,其刻蚀阈值低于7.66J/cm2。结果表明,应用该工艺制备二维透射光栅,降低了激光刻蚀透明材料的密度阈值及加工结构的表面粗糙度。

闪耀光栅阵列用于半导体激光器列阵光束整形

介绍了半导体激光器列阵的光束整形理论,设计并制作了由两个闪耀光栅阵列构成的整形光学系统,理论计算表明该系统能将激光器快、慢轴方向的光参数积变为5.7 mm·mrad和8.9 mm·mrad。在整形实验中测得变换后快、慢轴方向的光参数积分别为12 mm·mrad和9.5 mm·mrad,经透镜聚焦后能够实现与芯径200μm,数值孔径0.22的光纤耦合。

宽波段超大孔径反衍望远系统设计

二元光学器件除了能减小成像系统的体积、重量和成本外,还具有许多传统光学元件无法比拟的优越性。分别利用两个二元光学器件作为系统物镜和目镜,依据Schupmann望远系统设计了25 m口径超大孔径反衍混合望远系统,弥散斑大小以及MTF函数都能够达到设计要求。并提出使用谐衍射透镜代替普通衍射透镜,对系统进行了进一步改进,使望远系统获得较宽的光谱范围。研究结果表明,该望远系统无论是在单一光谱,多频带光谱或者连续光谱范围,都能够获得接近衍射极限的成像质量。

径向偏振光研究的最新进展

径向偏振光作为一种轴对称的偏振光引起了众多学者的浓厚兴趣,通过对近年来国内外对径向偏振光研究现状的分析,本文综述了径向偏振光的特性、理论发展、产生方法以及应用等方面的研究,并展望了其发展前景。

宽光谱超大孔径反衍望远系统设计

二元光学元件具有许多传统光学元件无法比拟的优越性。利用2个二元光学元件作为系统的物镜和目镜,通过确定各元件的基本结构、孔径大小,设计了25 m的超大孔径反衍混合望远系统。所设计系统的弥散斑大小及MTF函数都能够达到设计要求。使用谐衍射透镜代替普通衍射透镜,对系统进一步改进,使望远系统获得了较宽的光谱范围。试验结果表明:改进后的系统无论在单一光谱、多频带光谱或者连续光谱范围,都能够获得接近衍射极限的成像质量。

衍射光学元件制作技术及未来展望

回顾了衍射光学元件（ＤＯＥ）制作技术的发展过程，介绍了未来制作技术的发展以及元件演变的未来趋势。

衍射光学元件分析和设计中标量理论的局限性

以衍射光栅为例,用标量理论和严格耦合波理论的对比,分析衍射光学元件各参数对标量理论适用范围的影响。结果表明在光栅周期减小,刻蚀深度增加,光栅折射率增加,光束入射角度增加以及填充因子偏离 50%等情况下,标量理论的误差将逐渐增大,其中光栅周期和刻蚀深度对标量理论的影响较大,光栅周期小到 5 倍波长或者刻蚀深度大到 5 倍波长时,标量理论将不再适用。

二元光学二维激光扫描器设计

提出一种新型的二元光学二维纯位相型激光扫描器。首先利用计算全息图ＣＧＨ的设计方法设计出扫描器的初始结构参数，最后把其看成衍射光学元件（ＤＯＥ）对其进行成象质量优化。设计出一电视制式的二维扫描器，其扫描范围为±１２．５°×（±１０°）（水平×垂直），光斑尺寸约１ｍｒａｄ。

基于迭代傅里叶变换算法的光束整形元件位相编码的优化设计

基于迭代傅里叶变换算法 ,提供了对具有 2个台阶二元光束整形元件进行位相编码的优化设计方法 ,详细研究了初始位相选取以及引入强度自由度、位相自由度在迭代傅里叶变换算法中对再现像品质的影响 。

线宽误差对菲涅耳透镜衍射效率的影响

基于标量衍射理论，首先得出存在线宽误差情况下４阶菲涅耳透镜衍射效率的解析式；并以 ４阶、８阶和１６阶菲涅耳透镜为例，进行计算机模拟计算并系统分析线宽误差对菲涅耳透镜衍射效率的影响．通过实验测量１６阶菲涅耳透镜的线宽误差，分析其对１６阶菲涅耳透镜衍射效率的影响．模拟计算结果对多阶菲涅耳透镜的制作提供重要的理论指导．

用反应离子刻蚀技术制作二元光学元件

介绍了利用反应离子刻蚀技术制作二元光学元件的原理和方法，给出了制作结果。