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。文中对金刚石单点车削加工技术在红外折衍射光学元件的设计和加工中的应用进行了讨论。     

衍射光学元件车削误差控制技术

衍射光学元件在光学系统中的应用越来越广泛,对衍射结构的加工质量提出了更高的要求。单点金刚石车削可直接加工出高精度衍射微结构表面,但衍射结构的位置误差和表面质量对其光学性能有较大影响。为了提高衍射光学元件的性能,需要精确控制其车削误差。基于此,分析了影响衍射元件加工质量的因素,建立了揭示位置误差、衍射面形状和刀具半径之间的关系的数学模型,揭示了衍射带位置精度影响规律。通过补偿加工提升基底表面质量来提高衍射曲面面形精度。结合仿真模型与粗糙度影响参数,指导车削刀具半径的选取。最后,基于仿真结果,选择半径为0.02 mm的半圆弧刀具加工,最终加工的衍射元件面形误差为292 nm,衍射环带位置误差最大为55 nm,高度误差最大为16 nm,粗糙度为5.6 nm。实验结果表明,该预测模型可以指导衍射光学元件高精度表面形貌的获取,有利于提高光学系统的成像质量,为高精度衍射光学元件的批量生产提供了技术支持,具有广泛的工程应用价值。     

制作在非球面基底上的红外衍射光学元件

用金刚石车床车削的方法在锗材料上成功地加工了折射-衍射混合式红外光学透镜,其中的衍射面制作在非球面的基底上,是国内首个制作在曲面基底上的混合成像元件．对折一衍射混合透镜和不带衍射环带的对比透镜的测试结果表明,衍射面加工效果良好,有效地减小了此单片镜系统的色差,明显提高了系统的成像质量,与设计结果吻合较好．     

衍射光学元件斜入射衍射效率的测量

针对衍射光学元件衍射效率测量的双光路实验装置,当次级衍射光通过孔径光阑由探测器接收时,为保证测量精度提出了测量衍射效率的修正公式。针对所研制的含有衍射光学元件的折衍射混合成像光学系统,选取可见光波段中的3个激光波长,当衍射面上入射角度为12时对该衍射光学元件进行了衍射效率的测量,并对测量结果进行了模拟和分析。由于存在一定的加工误差和斜入射时遮挡效应的影响,实际测得的衍射光学元件的衍射效率比理论计算结果低。根据测量结果拟合曲线,在473~632.8 nm波段范围内的带宽积分平均衍射效率对比理论值存在12.84%的偏差。     

用于大相对孔径红外镜头的衍射光学元件

将衍射光学元件应用于非制冷热像仪的大相对孔径红外镜头与传统设计相比,衍射光 学元件的引入,增强了此类镜头的色差校正能力,提高了镜头的成像质量,提高了镜头的透过率,减少了光学零件的数量,减轻了系统重量,为提高非制冷热像仪的性能奠定了坚实基础。本文在色差、成像质量、系统透过率与MRTD 方面比较了不同结构镜头的性能。     

微圆弧金刚石刀具车削锗单晶衍射元件

锗单晶衍射光学元件具有特有的色散和温度特性,在红外光学领域,具有广阔的应用前景。衍射元件必须同时满足光学镜面及相位转变点的要求,采用微圆弧金刚石单点车削是解决这一途径的主要方法之一,但采用微圆弧刀具加工时,要求同时满足粗糙度和相位突变点是加工衍射元件的难点,因此,研究微圆弧金刚石刀具车削锗单晶衍射元件具有重大意义。基于DEFORM 3D切削仿真软件,对金刚石刀具车削锗单晶材料进行了仿真分析,分析了切削参数、刀具参数对锗单晶材料粗糙度的影响,并依据仿真试验结果优选切削参数以及刀具参数进行试验,R0.1mm微圆弧刀具车削单晶材料粗糙度达到4 nm。     

新型衍射光学元件实现三维立体显示的原理及设计

基于部分像素衍射屏的原理,提出一种结构更为简单,更易实现的新型衍射元件（ＤＯＥ０。给出这种衍射元件的设计方法,与以往的衍射屏进行了比较。并用人工拍摄和机器光刻两种制作出演示ＤＯＥ。给出了验证其有效性的设计实例。     

基于离散抽样加密算法的衍射光学元件设计

为满足浸没式光刻照明系统对掩模面高均匀性和不同照明模式的要求,对照明系统中的照明模式变换器进行了研究。采用衍射光学元件（Diffractive Optical Elements,DOE）来产生各种照明模式,从光栅结构出发,经两步变换分析了光栅转变为DOE的过程。并提出一种离散抽样加密算法,以抽样线宽1~5 m的四极照明DOE为例,揭示了DOE特征尺寸、衍射效率和光强分布非均匀性的实际对应关系。设计结果表明:随着抽样线宽的减小,整形光束的衍射效率和均匀性将得到较大提高。利用接触式光刻工艺完成了特征尺寸为1.76 m1.76 m的16台阶照明模式变换DOE的制作,通过搭建光学测试平台对不同照明模式下DOE的光强非均匀性和衍射效率进行了测试,结果满足设计要求,验证了离散抽样加密算法能够有效指导照明模式变换系统DOE的设计。     

衍射光学元件改善产品的设计

衍射光学元件改善产品的设计十年来，专家们一直预言，由于光学衍射元件的独特性能、较小尺寸、较轻重量和较高灵敏性，它们将渗透到成象和激光机械加工之类市场，而促使产生新应用和新产品。然而，仅在最近几年，设计和制造技术的改进才使它实现如上预言。衍射光学元件可...     

三层衍射光学元件斜入射衍射效率特性研究

正入射通常不能反映成像衍射光学元件的实际工作状态,斜入射才是其普遍工作状态。建立了斜入射时三层衍射光学元件的衍射效率与入射角度关系的表达式。针对入射方向、两侧基底材料以及中间介质材料这三个影响因素,分析了三层衍射光学元件的衍射效率随入射角度的变化关系。结果表明,光线从正谐衍射元件端入射时,对应的衍射效率随入射角度增大下降得比较缓慢。组成三层衍射光学元件两侧谐衍射元件基底材料的阿贝数差值越大,衍射效率随入射角度增大下降得越缓慢。中间介质材料的选取由三层衍射光学元件工作时的入射角度范围决定。该分析方法和结论适用于可见光、红外等光学系统中的三层衍射光学元件。     

衍射光学器件精细化设计及光强失真机理

基于基尔霍夫标量衍射理论,详细分析了输入、输出平面及变换函数抽样间距的选取原则.系统建立了衍射光学器件精细化设计的抽样理论,深入研究了输出图样在非抽样点上的光强失真机理.在定义衍射光学器件光能利用率、顶部不均匀性等性能评价参数的基础上,以盖师贝格-撒克斯通(GS)算法设计一维光束整形器件为例,探讨了输出图样在非抽样点上的光强失真和输出平面抽样间距间的关系,通过模拟计算验证了精细化设计时输入与输出平面抽样理论的有效性.     

双层衍射光学元件微结构高度的优化设计

微结构高度是衍射光学元件的重要加工参数之一。基于双层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率和微结构高度的关系,分析并给出了微结构高度的优化设计方法。在满足光学系统性能要求的情况下,通过适当地降低带宽积分平均衍射效率来减小微结构的高度。分别针对可见光、长波红外、红外双波段三种波段工作的双层衍射光学元件进行仿真分析。分析结果显示,工作在长波红外波段的双层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率减小1.9%,微结构高度能降低55%以上。该结论对于双层衍射光学元件的加工及应用有重要的意义。     

衍射光学器件设计中空间延拓分量的理论研究

发现并研究了衍射光学器件优化设计中空间延拓分量的存在及其交叠现象。基于标量衍射理论基础，从空间频谱角度出发，详细研究了空间延拓分量的形成机理，导出了消除其影响的相应条件。在定义衍射光学器件的光能利用率、顶部不均匀性等性能评价参数的基础上，以盖师贝格-撒克斯通（GS）算法设计一维光束整形器件为例，探讨了空间延拓分量的交叠程度和输入平面抽样间距间的关系，并通过模拟计算验证了空间延拓分量的存在、交叠及其形成机理。     

温度与微结构高度误差对衍射光学元件衍射效率的影响研究

基于衍射光学元件的衍射效率与微结构高度误差的关系,提出了环境温度、微结构高度误差与衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学分析模型。研究了环境温度变化对带宽积分平均衍射效率的影响,分析了工作在一定温度范围内时带宽积分平均衍射效率与相对微结构高度误差的关系。对于工作在8～12mm长波红外波段的衍射光学元件,偏离设计波长越远,其衍射效率受温度的影响越大。温度的变化会引起100%衍射效率对应的峰值相对微结构高度误差发生改变。当衍射光学元件的相对微结构高度误差在±15%范围内时,衍射效率在-40℃～80℃的整个温度范围内高于91.89%,带宽积分平均衍射效率在整个温度范围内高于88.58%。     

在GaAs材料上制备衍射光学元件

本文介绍了在GaAs材料上制做衍射光学元件（DOE）的现状和发展,分析了该领域近期的研究热点及重要成果,其中,着重对刻蚀技术进行了讨论。     

衍射光学元件在红外成像光学系统中的应用

介绍了衍射光学元件的优点,并举例说明衍射光学元件在监控、火控、无人机侦察等红外光学系统中的应用,给出了一个红外光学系统设计实例,在设计中使用了衍射光学元件,以补偿温度变化所产生的影响,通过与没使用衍射光学元件的红外光学系统的成像质量比较,表明使用衍射光学元件可以消除温度的影响,使系统在较大的温度范围内保持比较好的成像质量,可以满足军用光学系统的使用要求.     

衍射光学半导体激光器线阵消像散准直器系统误差分析

分析了衍射光学半导体激光器线阵消像散准直器误差的来源 ,推导了相应的计算公式 ,并对设计制作的准直器进行了误差计算与分析 ,指出减小误差的措施。     

均匀照明用衍射光学器件的空间频域优化设计方法

为改善衍射光学器件(DOE)在均匀照明系统中的应用性能,提高元件优化设计的效率,提出了衍射光学器件的空间频域优化设计方法。基于对均匀照明系统焦面输出光强分布的空间频谱分析,从空间频域的角度,指出通过控制焦斑中的低频调制成分,能够进一步提高实际均匀照明的效果。在此基础上,该优化方法通过在频域内设定优化目标和费用函数,来确定优化方向,可以有效减少输出光强分布中的低频调制成分。应用该方法所得一维多台阶相位型衍射光学器件的设计结果表明,在考虑空间20μm匀滑后,焦斑主瓣光强均方差为3.3%。与已有空间域优化方法的对比表明,在元件实用效果方面,空间频域优化设计方法优于空域方法。