亚波长多台阶结构大角度激光分束器设计

分束角度是衍射型激光分束器件重要性能指标之一。目前对大角度衍射分束元件的研究局限于Dammann光栅,Dammann光栅依靠周期内相位突变点对入射光波进行调制,其分束均匀性对突变点精度非常敏感,现有加工技术无法满足设计精度的要求。针对这一问题,提出利用亚波长多台阶结构来实现大角度的激光分束,给出了一个1×16,入射光波长1.55μm,衍射角29°的16台阶亚波长分束光栅设计实例。设计时利用标量理论获得一个多台阶结构作为初值,经严格耦合波理论结合遗传算法进行矢量优化后衍射效率达到89%,均匀性误差为4.53%。结果表明,亚波长多台阶结构能够实现大角度、高衍射效率以及高均匀性的激光分束。     

1×11亚波长结构Dammann光栅的研制

论文基于严格耦合波理论（Rigorous Coupled-Wave Analysis,RCWA）,并采用遗传算法进行优化,设计并制作了一种具有高衍射效率的亚波长结构Dammann 光栅。光栅的分束比为111,最小特征尺寸为0.95 m,衍射效率设计值达到95%,优于传统Dammann 光栅约15%,且均匀性设计值小于2%。论文采用电子束光刻直写技术和反应离子刻蚀技术在石英基底上制作出亚波长结构图形。实验结果表明,电子束扫描曝光可以获得纳米级的图形分辨率。对石英基底的反应离子刻蚀中,射频功率、工作气压及气体流量均对刻蚀速率和栅线的表面形貌产生不同程度的影响,论文主要针对该问题进行了讨论。同时,论文也对电子束光刻直写过程中产生的线宽误差因素进行了分析。     

达曼光栅的设计与制作方法探讨

研究基于二元光学的达曼光栅理论和设计方法,设计5×5分束达曼光栅。分别采用“减法”和“加法”加工方案制备器件。“减法”工艺方案包括,优化了氧化硅光栅制作中曝光、显影及深刻蚀工艺参数等关键工艺技术;“加法”工艺方案研究了氮化硅薄膜的制备及刻蚀工艺的问题。研究并制备了两种工艺方法的达曼光栅器件。实验结果表明,“减法”工艺方案的零级衍射场均匀分布的5×5点阵,总的衍射效率达到53%,不均匀性仅为0.19%;“加法”工艺方案的总的衍射效率为59%,不均匀性仅为0.16%;实验结果与理论设计的相符,验证了理论设计与工艺技术的可靠性。     

达曼光栅的计算机辅助设计

达曼(Dammann)光栅作为一种常用的分束器件,在光互连、光通信、光计算和多重成像等领域已广泛应用。在介绍Dammann光栅设计原理的同时,重点论述了Dammann光栅的计算机辅助设计过程。     

用于激光加工中的矩形孔径Dammann光栅光束变换技术

针对大功率激光加工对光束空间强度分布的实际要求,提出了一种用二元光学元件对光束进行变换的方法,即利用均匀采样的矩形孔径Dammann光栅对激光高斯光束进行光束变换,可满足任意点阵分布的输出要求.以线状、均匀、环状和非均匀分布的光强输出为例,介绍了矩形孔径Dammann光栅光束变换技术的设计原理及实现方法,结果表明输出光强分布具有较高的衍射效率和均匀性.将均匀和非均匀分布的输出光束应用在激光加工技术的表面强化上,结果表明试样表面的硬度和耐磨性等力学性能均有提高并且强化层具有较好的均匀性.     

新型5×5分束达曼光栅的设计与制作北大核心

基于理论设计了一种面内旋转对称的新型5×5分束达曼光栅,研究并优化了光栅制作中曝光、显影及深刻蚀等关键工艺参数。采用接触式曝光和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术,在石英基底上制作出达曼光栅结构。实验中通过优化石英基底上接触式曝光时间和显影时间,较好控制了曝光图形失真;进一步通过控制ICP刻蚀工艺参数,获得了刻蚀深度为（750±10）nm的石英衬底,实现了达曼光栅器件的制备。通过衍射光学特性评测得到了理论设计的零级衍射场均匀分布的5×5点阵,总的衍射效率达到53%,不均匀性仅为0.19%。实验证明了理论设计与工艺技术的可靠性,为达曼光栅器件的集成光学系统应用奠定基础。     

全息波导显示中输出扩展光栅的衍射效率分布分析

对于全息波导显示系统,为获得连续的输出光瞳而引入的半透半反膜,会在波导中形成阶跃形光强分布,与阶跃形强度分布相匹配的输出光栅衍射效率须为阶跃形分布,这样才能获得均匀的衍射输出强度。为保证衍射角带宽内所有光线均有较佳的输出强度均匀性,提出了一种连续递增的衍射效率分布光栅模型。建立了基于对阶跃形衍射效率分布的分段加权平均和二次曲线拟合的优化计算模型,计算得到了衍射效率分布曲线,并由衍射效率分布曲线计算得到衍射角带宽内不同视场光束的输出光强分布。结果表明,输出光强位置均匀性最小为52.4%,出瞳内角度均匀性达到84.9%。随着分束膜层数的增加,波导阶跃形光强差将会减小,可获得更好的输出强度均匀性。     

基于混合算法的高均匀度超快激光分束及精密加工研究

基于空间光调制器外光路分束进行并行加工是提高超快激光加工效率的有效方法。高均匀度分束算法是实现外光路分束的关键。在实际光路中，由于光路不完全满足理论条件，经典的GS算法生成的多光束均匀度远低于理论值，不满足阵列化激光加工的要求。基于GS-GA算法的思想与图像处理技术，在程序设计中引入了实时反馈的功能，以达到提高分束均匀度的目的。并采用加载菲涅耳透镜相位的方式分离零级光，避免重建光场离轴带来的畸变。最终实现了均匀度接近94%的分束，并通过加工实验验证了高均匀度分束算法在精密加工中的应用效果。     

用于光场成像的超构衍射光栅阵列优化

为提高矢量光场显示亮度和视角均匀性,提出了一种应用于圆偏振光场成像的超构光栅结构。利用严格耦合波分析,逐像素对超构光栅结构进行仿真,研究了入射光偏振状态、光栅结构、入射角度对-1级光衍射效率的影响规律。仿真结果表明,圆偏振光显示可以使得光栅衍射效率稳定高效,当光栅周期为500 nm时,与基于TE和TM设计的光栅结构相比,圆偏振光设计的光栅结构衍射效率提高了18.5%和2.6%;光栅高度和占空比对衍射效率具有明显的影响。综合考虑光栅制备难度、衍射效率和视角均匀性,设计了一种高度为0.6μm,占空比为0.4的光栅阵列结构应用于圆偏振光场显示,系统衍射效率可以达到40%以上,具有较优的综合性能,对超构光栅设计制备和裸眼3D显示具有一定指导意义。     

对两种波长能生成不同衍射图形的光学元件

衍射光学元件的特点是相对设计波长,光束整形、聚束、分束、聚光等多种功能可由一个元件实现,这是折射光学元件所没有的特点.此外,通过对相位进行优化设计,能实现对不同波长产生不同图形的功能元件.作者采用独自的方法,设计并试制了三种衍射光学元件,它们能将绿和红两种波长的光分别生成G和R两个字符的衍射图形.一种是菲涅耳型,利用了焦点依波长不同而异这一特点,均匀性在6%～7%,衍射效率均为35%.两种博里叶型,一种是容许零级衍射光噪声而用波长将G和R字符分离;另一种是使相位偏移为通常的4倍而使G和R字符分离.与菲涅耳型相比后,两种制造误差影响敏感,所以得到的像的噪声多,尽管如此,还是表明了依波长不同生成多个图形是可能的.     

对达曼光栅进行二维扩展的矩形孔径光栅设计

介绍一种二元光学元件的设计方法。为了克服达曼光栅在二维设计上的局限性,采取均匀采样的矩形孔径编码方式进行优化设计。结果表明:与达曼光栅相比,不仅可将总衍射效率提高10 %以上,还可得到更多样的二维设计图样,只是输出点阵均匀度略低于达曼光栅。因此,在均匀度要求不太高的高强光束变换中,这种二值型位相光栅的设计方法对于设计二维衍射图样十分简便有效,且其计算结果易于加工制作,具有很高的应用价值。     

用等腰三角形位相光栅进行相干光并束的研究

为了满足未来惯性约束激光核聚变(ICF)的快速点火装置对高能量激光束的要求,提出并特殊设计了一种可用于ICF系统中相干并束的等腰三角形位相光栅.模拟计算和分析的结果表明,这种等腰三角形位相光栅对4束相干激光并束的效率理论上可以达到90.2%,比普通的二元达曼型位相光栅的衍射效率高22个百分点.相对而言,该光栅具有加工难度低、误差宽容度大等优点,有较强的实用前景.     

9.77 μm激光器零级耦合输出选频振荡光栅的设计和研制

建立了实际刻划光栅的物理模型，给出了相应的衍射效率表达式，进而阐述了红外激光器零级耦合输出选频振荡闪耀光栅的设计原理。根据理论分析结果，采用调整刻划负载控制三角槽形闪耀光栅零级面。双向逐步逼近1级和零级衍射效率设计值的方法和工艺，研制了在利特罗(Littrow)安装下1级衍射效率为86．5％，零级衍射效率为10．3％的9．77μm红外激光器零级耦合输出选频振荡镀金闪耀光栅。检验结果表明，由加工误差引入的1级和零级衍射效率与设计中心值的偏离量分别仅为0．6％和3％。     

Fourier gratings as submillimeter beam splitters

Over the past years, a number of groups have developed phase gratings as local oscillator beam multiplexers for array receivers in the submillimeter wavelength domain. The most popular type of grating is the Dammann (1977) grating, a simple and versatile binary phase grating. We introduce a new type of grating, the Fourier grating, which, in contrast to the binary structure of Dammann gratings, uses a smooth grating structure. Due to the lack of sharp edges these gratings can be manufactured with high precision as reflection gratings even for two-dimensional (2-D) dispersion. Fourier gratings are designed using a simple optimization procedure that only involves a small number of parameters. Their diffraction efficiency is very high. We have produced a number of gratings and tested them at a frequency of 490 GHz, verifying the theoretical results     

一种任意图形编码的（0，π）型二维位相光栅的设计

基于分析和比较各种编码图形的二维二值位相光栅的优缺点．提出了一种设计任意图形编码的二值位相光栅的方法。该方法主要分为两步．首先以获得最高衍射效率为基准．寻求任意图形编码的二维二值位相光栅的初始结构．然后采用一种迭代算法优化初始结构获得期望的光强分布。设计了７个可等强分束的二维二值位相光栅，其衍射效率均大于８０％，均匀性偏差均小于０．０１％。     

印刷电路板激光投影成像照明系统均匀性分析

针对351 nm波长的XeF准分子激光器,自行设计了用于高精度、高产率、大面积且常规抗蚀剂曝光的印刷电路板(PCB)激光投影成像照明系统.根据准分子激光的部分相干平顶高斯光束(PCFGB)理论模型,对微透镜阵列器(MLA)均束的衍射特性进行了理论分析.由PCFGB分布函数、稳定光强输出的衍射角和菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,定量分析衍射效应对MLA均束的影响.理论计算表明,微透镜边缘发生菲涅耳衍射和微透镜产生的多光束干涉都能引起光振幅调制,只不过衍射产生的尖峰更明显地出现在光束边缘.同时,由数值积分得到的PCFGB曲线,发现9×9 MLA均束器既能保证多个微透镜产生光束叠加的均匀性,又最大程度地减少了衍射和多光束干涉效应.通过采取加正六边形光阑的方法,不仅能满足大面积无缝扫描光刻的需要,而且能剪裁由衍射引起的光束边缘尖峰.由ZEMAX光学设计软件模拟其效果,显示其加工窗不大于±2%.     

亚波长光栅用于实现宽光谱消色散1/4波片的研究

基于严格耦合波理论 ,分析了共振区域矩形位相光栅的衍射特性 :位相延迟与光栅周期、占空比、槽深的关系 ,并设计出在 40 0～ 80 0nm范围内的消色散 1/4波片光栅 ,可以实现较为平坦的衍射效率和位相延迟曲线 ,其中位相延迟可保持在 90°左右 ,最大偏差小于 9% ,达到甚至优于普通二元复合消色散波片。通过对加工及安装误差的讨论 ,得到了影响消色散波片光栅性能的主要加工误差是槽深误差和占空比误差。     

基于透射体布拉格光栅频谱组束的研究

分析了透射体布拉格光栅实现两束不同波长光束频谱组束的条件.基于耦合波理论,推导了透射体布拉格光栅的衍射效率方程,获得了优化的组束设计条件,提出了使用凸透镜控制光束入射角的方法.建立了组束的理论模型,分析了光栅参数对衍射效率的影响.结果表明:最佳组束时,不同的光栅厚度须选择不同的光栅参数;在折射率调制和空间频率不变的情况下,随着光栅厚度的减小,谱选择性逐渐增大;随着光束发散的增大,光栅的衍射效率逐渐减小.