宽波段凸面闪耀光栅优化设计

凸面闪耀光栅是研制高光谱分辨率成像光谱仪的关键元件之一,一般凸面闪耀光栅的有效波段范围较窄,较难满足宽波段成像光谱仪对光栅衍射效率的需求。为拓宽仪器观测波段,对其中凸面闪耀光栅进行了优化设计。以0.4~2.5 m波段Offner型成像光谱仪为例,研究了凸面光栅单衍射级和双衍射级共路两种色散结构,采用分区闪耀光栅和双角闪耀光栅来提高宽波段范围内的衍射效率。优化设计了两种双闪耀光栅在不同色散结构下的槽形,用标量理论和有限元分析等方法对光栅衍射效率进行了计算。结合仪器信噪比,给出了满足成像光谱仪不同需求时所适用的光栅。     

凸面光栅的衍射效率计算及其二级光谱抑制

对超光谱成像仪使用的凸面光栅衍射效率进行了分析计算.针对常用的两种槽型的凸面光栅,运用傅立叶变换分别推导了相应的衍射效率计算公式,并使用推导的公式计算了凸面光栅的衍射效率.通过计算光栅的二级衍射光谱,对二级光谱对光谱仪分光的干扰进行分析,并提出了相应的抑制措施.     

光栅的标量衍射理论与耦合波理论的分析比较

光栅的标量衍射理论是计算衍射效率的一种近似方法 ;耦合波理论是分析光栅衍射的严格方法。本文详尽地分析了这两种方法在计算具体的光栅衍射问题时的异同 ,从中得出了有意义的结论 :光栅的标量衍射理论的近似是有条件的 ,光栅周期和光栅槽形就是影响这一近似条件的两大因素。     

消像差Offner成像光谱仪的研究进展

为了获得消像差Offner成像光谱仪,以三镜系统为基础综述了Offner成像光谱仪的各种消像差方法,介绍了由两块不同曲率半径凹面镜与凸面光栅构成的Offner成像光谱仪和狭缝与刻槽成不同方向的Offner成像光谱仪的消像差方法,并得到面内结构及正交结构两种成像光谱仪结构,其中正交结构在消像差方面更具优势,为获得高质量Offner成像光谱仪提供了理论基础。     

消偏振二维二元闪耀光栅设计

为减小成像光谱仪的偏振敏感度并提高其定量化探测精度,提出一种透射式消偏振二维二元闪耀光栅。它在两个正交方向上都具有周期性槽形单元,每个槽形单元包含7个子周期。每个子周期的介质占空比在两个方向上是独立的,可同时调制TE和TM偏振态的等效折射率,以此优化光栅偏振特性。本文将等效介质理论拓展到二维情况,设计了以熔石英为基底,工作波段为0.6~0.8μm的高衍射效率消偏振二维二元闪耀光栅。光栅两正交方向周期分别为3.31μm和0.473μm。仿真结果表明,在参考波长0.7μm处TE和TM偏振态衍射效率分别为79.5%和79.6%,0.6~0.8μm波段范围内TE和TM偏振态衍射效率均高于70%,偏振敏感度低于2.6%。与一维二元闪耀光栅相比,二维二元闪耀光栅具有高衍射效率、低偏振敏感度和易制作的优势。所得结论可用于指导实际应用中透射式二元闪耀光栅的设计,可望在光栅型高光谱成像仪中得到应用。     

消偏振二维二元闪耀光栅设计（英文）

为减小成像光谱仪的偏振敏感度并提高其定量化探测精度,提出一种透射式消偏振二维二元闪耀光栅。它在两个正交方向上都具有周期性槽形单元,每个槽形单元包含7个子周期。每个子周期的介质占空比在两个方向上是独立的,可同时调制TE和TM偏振态的等效折射率,以此优化光栅偏振特性。本文将等效介质理论拓展到二维情况,设计了以熔石英为基底,工作波段为0.6～0.8μm的高衍射效率消偏振二维二元闪耀光栅。光栅两正交方向周期分别为3.31μm和0.473μm。仿真结果表明,在参考波长0.7μm处TE和TM偏振态衍射效率分别为79.5%和79.6%,0.6～0.8μm波段范围内TE和TM偏振态衍射效率均高于70%,偏振敏感度低于2.6%。与一维二元闪耀光栅相比,二维二元闪耀光栅具有高衍射效率、低偏振敏感度和易制作的优势。所得结论可用于指导实际应用中透射式二元闪耀光栅的设计,可望在光栅型高光谱成像仪中得到应用。     

应用等效规则优化法设计光通信光栅

基于光栅电磁场理论,应用光栅等效规则计算光栅槽形初始值、结合衍射效率等高线法优化设计光栅槽形,给出了具有几何对称中心的任意槽形光栅.以全息工艺上易于制作的正弦、矩形和两种梯形典型槽形光栅为例进行优化设计,结果表明,正弦槽形光栅C波段TM波衍射效率理论峰值为95%,测量值为92%.较互易定理优化方法,等效规则优化法拓宽了光通信光栅的制作方法、降低了制作难度,为全息方法制作光通信光栅提供了理论依据.     

衍射光栅

长春光学精密机械与物理研究所是我国第一台光栅刻划机和第1块衍射光栅的诞生地。该所的“国家光栅制造与应用丁程技术研究中心”在光栅设计、制造、复制和检测等技术方面具有很高的水平,研制的光栅已先后成功地应用于多波段航空遥感成像光谱仪、天文望远镜等国家重大科研领域,同时以其较高的性价比,在原子光谱仪、     

双光栅成像中的汇合级光能量

从光传播基本理论和光栅衍射性质出发,研究了双光栅成像效应中的光能量传递,得到了确定汇合级光强的表达式.结合双光栅成像方程,分析了两光栅的衍射性质与成像位置对汇合级光能量的影响.分析表明汇合级光强与两光栅具体的衍射效率和双光栅成像时的位置密切相关.测量了三组不同类型双光栅成像系统的汇合级光能量,实验结果和理论分析基本一致.     

非对称全息方法制作闪耀光栅的模拟与分析

为了实现全息方法制作闪耀光栅,在对称全息光栅制作方法的墓础上,设计了一种非对称光路进行曝光。模拟了特定显影条件下光栅槽形及其衍射效率光谱。并与理想三角形闪耀光栅比较。结果表明：模拟槽形具备闪耀光栅槽形特征,其正一级衍射效率谱线与相应闪耀光栅非常接近。     

双层BOE加工误差对衍射效率的影响分析

随着光学技术的发展,光、机、电一体化成为趋势,要求光学系统做到集成化、阵列化和小型化,二元光学元件由于它在光波变换上的卓越表现受到人们的青睐。双层二元光学元件在宽波段范围内的衍射效率非常高,但在加工时会产生很多种加工误差,比如:高度误差、周期误差、套刻误差等。文中基于标量衍射理论,对在加工中可能出现的高度误差、周期误差、套刻误差等误差以及其对衍射效率的影响进行充分分析,并进行MATLAB模拟。结果表明:异向高度误差对衍射效率的影响大于同向高度误差对衍射效率的影响,所以在加工时应该尽量避免异向高度误差。异向套刻误差对衍射效率的影响大于同向套刻误差对衍射效率的影响,所以在加工时应该避免异向套刻误差。相比高度误差和套刻误差,其他误差对衍射效率有着不同程度的影响。     

全景式航空相机摄影起始角误差抑制方法

覆盖宽度是全景式航空相机的重要指标，深入分析了摄影起始角误差对全景式航空相机所得图像锯齿效应的影响。在介绍全景式航空相机工作方式及工作时序的基础上，分析了所得图像边缘差异占覆盖宽度的比值与目标倾斜角、横向扫描角及摄影起始角误差之间的关系。全景式航空相机工作时，通常对摄影起始角设定预留恒定角度值，该方法会造成较大的摄影起始角误差。为了减小该误差，提出了改进迭代算法:在每帧成像时记录摄影起始角误差，并利用该误差对下一帧图像进行修正。最后给出了实验结果。结果表明:采用传统算法和改进迭代算法时，摄影起始角误差均方根值分别为0.045和0.005，值范围分别为[0.009 1，0.014 8]、[0.001 0，0.001 7]。改进迭代算法将摄影起始角误差降低为传统算法的1/9，对应最大值为0.001 7，满足工程需求。     

用二维正弦相位光栅实现阵列激光相干并束

相干并束是获得高功率激光束的一种有效方法,特殊设计的二维正弦相位光栅是一种较好的并束元件。介绍了二维正弦相位光栅并束的设计方案,计算表明,在3×3和4×4分束时分束效率分别为81.1%和73.1%,与常用的达曼光栅相比分别提高37%和26.9%。对正弦相位光栅的制作和误差分析表明,并束效率存在极大值,给光栅的制作带来较大的误差宽容度,分束与并束在光栅表面的光场存在一定差别。如果仅用于并束,并束效率还有提高的可能。     

不同光栅常数下同心长波红外成像光谱仪对比

为对比分析不同光栅常数下Offner光栅和Dyson光栅光谱仪的性能差异,推导了两种光谱仪结构的衍射角公式,获得其衍射特点,并在F数为2.5,工作波段为8～12 m,光谱分辨率15.6 nm,光栅常数分别为100 m、50 m下,借助ZEMAX软件对这两种结构进行了优化设计。结果表明:较大光栅常数下,两者都能理想成像,Offner光谱仪体积约为Dyson的7倍,质量约为Dyson的1/13;较小光栅常数下,Dyson光谱仪仍可理想成像,而Offner必须加入二次非球面镜并进行离轴,才能满足系统对像质及光谱分辨率的要求,此时,Offner光谱仪体积约为Dyson的7倍,重量约为Dyson的1/11。设计结果表明,两种同心结构在加工难易度、体积、重量方面各有优劣,在光谱仪选型工作中,可根据具体情况进行取舍。     

矩形光栅局部结构误差对衍射效率的影响

为了提高高光谱遥感技术的分析精度, 利用标量衍射理论, 对矩形光栅局部结构误差的衍射效率进行了分析, 并计算了光栅局部周期和缝宽误差对衍射效率的影响。结果表明, 当加工误差使得光栅局部缝宽变大时, 会造成光栅各主极大(除零级)衍射光强变小, 这一误差对±1级处的衍射光强影响相对较小, 随着误差的增加, 越高的衍射级次其光强下降得越快; 而当加工误差使得光栅局部缝宽变小时, 会造成光栅各主极大(除零级)衍射光强变大, 同样, 当误差变大时, 相对±1级的衍射光受到的影响而言, 级次越高对应的主极大衍射光强增大得越快。该研究对于加工矩形光栅减小局部周期和缝宽误差控制提供了参考。     

紧凑型红外成像光谱仪光学设计

为降低成像光谱仪对工作平台体积质量的需求,优化光路布局,提高系统的热适应性,阐述了一种紧凑型红外成像光谱仪的光学系统设计。考虑结构尺寸和像差平衡,光学设计中引入了扩展多项式面型。系统光谱范围为1~3.4 m,F/数为2.86,光谱采样间隔为7.5 nm。光学系统由一个自由曲面三反射镜望远镜和一个基于平面光栅的自由曲面光谱仪组成。望远镜准远心设计,与后方远心光谱仪光瞳匹配,无畸变且像方空间便于其他结构模块布局。光谱仪像质优良,光谱畸变校正良好,像面倾斜得到改善便于探测器布局。从光栅衍射效率设计、杂散光抑制和光机一体化集成镜件设计三方面对该系统作了分析,结果表明系统具有工程可行性。     

微型可编程光栅最大闪耀角测定及光学性能优化

作为一项重要的光学性能, 微型可编程光栅的最大闪耀角决定了其可用光谱波段。提出了两种微型可编程光栅最大闪耀角的实验测量方法, 同时搭建了一个简单的光学系统验证其可行性及有效性。测量结果与理论计算和数值仿真的结果比较吻合, 相对误差均小于3.5%。结合实验现象, 利用Matlab软件仿真分析了释放孔对衍射结果的影响, 为提高微型可编程光栅的光学性能提供了技术参考。     

遗传算法在光栅面形优化设计中的应用

衍射效率高、偏振相关损耗低的衍射光栅是集成波分复用／解复用器件的一种核心元件,在光通信中具有很重要的应用价值,而一般面形的光栅很难达到此要求,为此需要在光栅衍射效率计算的基础上,利用遗传算法对光栅面形进行优化。采用二次函数来描述光栅面形,选取一定的原始样本,利用耦合波方法计算光栅的衍射效率;然后采用遗传算法中的各种算子对样本进行变换,计算变换后光栅面形的衍射效率,选择其中接近所确定条件的样本进行保留;再继续下一次变换和选择,直到满足设定的要求。通过优化最后得到衍射效率高、偏辗相关损耗小的光栅面形,这些面形的光栅衍射效率达到90％以上,而相应的偏振相关损耗小于0．1dB,已经达到光通信中的相应要求。在光栅面形设计中采用了遗传算法进行光栅面形优化为有特定要求光栅的制作提供了理论指导,可以节省一定的人力和渤力、