二元衍射光学

文章综述了二元光学与衍射光学的发展历史，研究现状以及广泛的应用价值和前景。它研究的物理内容分为两个方面，即用光学的标量衍射理论去研究和设计二元衍射器件与光学电磁矢量衍射的基础研究，在众多采用标量衍射和设计方法中，重点叙述了Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｏｎ算法和模拟退火算法，同时，简洁地介绍了掩膜制备－－光刻－－离子蚀刻－－复制一套研制二元衍射器件的技术流程，最后，以较多篇幅介绍二元衍射光学在激光波面     

对准误差对二元光学器件衍射效率的影响

本文基于标量衍射理论，建立了简明的对准误差对二元光学器件衍射效率的分析模型，得到了适用于一般位相分布器件的衍射效率的简便实用的计算公式。模拟计算表明该模型的计算结果与实际对准误差对器件衍射效率的影响情况相吻合。     

衍射光学元件-波分复用角色散特性分析

解复用器件是波分复用(WDM)系统中的关键性器件。在设计二元光学器件波分复用器件中，需要对二元光学器件的角色散进行分析。利用相位二元化方程对衍射光学元件(DOE)角色散及角色散温变特性进行了分析，最终得到衍射光学元件色散特性的表达式，并同时给出了角色散的温度变化特性。采用此理论结果确定杨-顾算法目标值，设计了用于波分复用的二元光学器件。利用菲涅耳衍射对器件角色散特性及角色散热特性进行了仿真，仿真结果验证了理论的正确性。     

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。     

微透镜及其应用简介

对二元光学的产生和发展作了介绍，并阐述了二元光学元件之一的微透镜（microlenses）的设计、制作和测试方法以及它们的主要应用。微透镜的设计是基于已成熟的标量衍射理论；而其制作过程包括：计算机设计波面相位、产生掩膜板、光刻或离子（束）蚀刻以及复制产生微透镜，其关键技术蚀刻方法有等离子蚀刻技术和反应离子蚀刻RIE（Reactive Ion Etching）技术；微透镜的测试主要包括衍射效率（diffractive efficiency）和点扩散函数（PSF）的测试，有直接法和间接法两种测试方法。微透镜可以微型化与阵列化，并且可以同微电子器件一起集成化，具有广泛的应用前景。     

红外场景产生器折射/衍射准直光学系统设计

在红外成像制导仿真系统中，场景产生器是一个非常关键的部分。利用二元光学技术，设计了一种应用于8~14 μm波段红外场景产生器的准直光学系统，视场角为±4°，光瞳直径为100 mm。借助于二元光学器件的独特性质，系统在仅使用两片锗透镜的情况下得到了接近衍射极限的光学质量。     

衍射光学技术发展历程及应用

衍射光学元件已广泛应用于光学传感、光通信、计算成像、激光光束整形、生物医学、光学数据存储等领域。首先，总结归纳了基于标量衍射理论衍射光学元件在各个阶段的发展脉络，衍射光学元件的发展可分为菲涅耳波带片、全息图及相息图、二元光学元件及衍射光学元件四个阶段，针对各阶段衍射元件分别分析其设计原理、结构特点、加工难度、衍射效率及在现实中应用可能性。其次，对基于矢量衍射理论衍射光学元件进行概述。最后，对当前衍射光学元件在传统和新型成像系统及非成像系统中的应用进行总结，整理出当前衍射光学元件发展中存在问题并根据对应问题给出未来发展趋势的预测，能够对今后衍射光学元件的研究有一定指导意义。     

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.     

平面波入射时二元光学型光栅的衍射场分布

应用标量衍射理论分析了平面波入射时二元光学型光栅的衍射场分布规律，并进行了数值分析和实验验证。     

二元光学法在微透镜制作中的应用

对二元光学的产生和发展作了介绍,并阐述了二元光学元件之一的微透镜(microlenses)的设计、制作和测试方法以及它们的主要应用。微透镜的设计是基于已成熟的标量衍射理论;而其制作过程包括:计算机设计波面相位、产生掩模版、光刻或离子(束)蚀刻以及复制产生微透镜,其关键技术蚀刻方法有等离子蚀刻技术和反应离子蚀刻RIE(Reactive Ion Etching)技术;微透镜的测试主要包括衍射效率(diffractive efficiency)和点扩散函数(PSF)的测试,有直接法和间接法两种测试方法。微透镜可以微型化与阵列化,并且可以同微电子器件一起集成化,具有广泛的应用前景。     

用HIO算法研究光束的空间整形

基于HIO算法,设计了用于光束整形的二元光学元件,从两条不同的途径给出了高斯光束的整形结果。所得“平顶”光束的顶部均匀性很好,且边缘非常陡峭、旁瓣小,表明HIO算法是用于二元光学元件设计的有效算法。     

二元光学器件激光直写技术的研究进展

二元光学器件的激光直写技术可克服传统的半导体工艺(掩模套刻法或多次沉积薄膜法)所带来的加工环节多、对准精度难以控制、周期长、成本高等问题,可进一步提高二元光学器件的制作精度和衍射效率.分析了二元光学器件激光直写的基本原理,对已有的各种激光直写方法和最新研究成果进行了综述,并展望了其发展趋势.     

衍射光学元件的加工工艺及其在各种光谱镜头中的应用

综述了当前衍射光学元件的加工制作工艺方法,包括光刻法、薄膜沉积法、直写法、金刚石车削法、准分子激光加工法、灰阶掩模法和复制法。详细说明了这几种方法加工衍射光学元件的工艺过程,并分析了各种加工方法的优缺点。介绍了衍射光学元件在各种光谱镜头中的应用,分别给出了衍射面在可见光波段、红外波段和紫外波段系统中的具体设计实例。最后得出结论,说明衍射光学元件可以增加设计自由度,简化系统结构,减小体积,减轻质量,改善像差,提高系统成像质量。     

双离轴衍射透镜的矢量设计算法

设计特征尺寸可与照射光波长相比拟的衍射光学器件时,必须采用严格的矢量设计算法.为克服传统搜索算法计算次数多、收敛速度慢的缺点,同时结合时域有限差分算法进行光场与衍射器件相互作用的矢量计算,提出了一种高效的迭代算法.利用该算法,设计了双离轴透镜,结果表明,该算法计算次数少、收敛效果好.     

衍射光学元件在卫星激光通信终端中的潜在应用

卫星激光通信技术是目前通信技术领域的研究热点,而光学子系统的优化设计是其重要研究方向。主要介绍了利用衍射光学元件实现卫星激光通信终端的小型化、集成化和高效化。文中首先简要介绍卫星激光通信系统的基本原理,随后介绍了衍射光学元件在卫星激光通信终端中的各种可能应用,包括光束整形和分光,光学滤波,防反射镀膜,像差和热差补偿等。给出了一个包含衍射光学元件的激光通信终端光学系统优化设计实例,相应的数值仿真结果表明:衍射光学元件与传统光学元件相比,具有明显优势。     

Coherent optical frequency combs: From principles to applications

A coherent optical frequency comb is a kind of broad-spectrum light sources delivering equidistant frequencies, and correspondingly its temporal waveform appears as a sequence of ultrashort pulses. Being the cornerstone technology of today's laser and time-frequency disciplines, it effectively links the optical frequency and the microwave frequency, and has promoted the development of diverse applications, such as precision spectroscopy, optical measurement, coherent optical communications, and optical clocks in the past two decades. In this review, we comprehensively introduce the development path, physical principle, generation/tuning methods, and advanced applications of optical frequency combs.     

飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿

飞秒激光微加工技术具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维微结构加工等优点,这些特性是传统的激光加工技术所无法取代的。首先回顾了激光微加工和超短脉冲激光技术的发展历史,然后介绍超短脉冲激光与金属和介质材料相互作用的机制,接着阐述了飞秒激光直写、干涉和投影制备等各种加工方法的原理,重点讨论飞秒激光在三维光子器件集成、微流体芯片制备及其在生化传感方面的应用等,最后展望了飞秒激光微加工领域所面临的机遇和挑战,指出了未来的研究方向。     

复合型二元光学器件补偿色散和相位畸变研究

复合型二元光学器件作为一种新型色散和相位补偿元件,由于其色散的特殊性,在超强超短脉冲激光的色散和波前补偿中具有特殊的意义。提出并研究了利用复合型二元光学器件同时补偿全钕玻璃啁啾脉冲放大(CPA)系统中的色散和相位畸变,并利用光线追迹的方法对二元光学器件模拟了设计和补偿效果。在实验中,利用二元光学器件将100 fs的光束补偿至30 fs左右。实验结果验证了此方法的可行性。     

激光直写制备衍射光学元件的研究及应用

衍射光学元件作为一种典型的微光学元件,其体积小、质量轻、设计自由度多、成像质量良好,在光学成像、光学数据存储、激光技术、生物医学等领域具有广阔的应用前景。随着现代光学系统的不断发展,对衍射光学元件的加工效率和制备精度提出了更高的要求。激光直写技术凭借加工精度高、工艺简单、灵活性好等优势,成为制备高精密仪器中关键光学元件所必需的一种加工方式。针对不同的加工需求,开发了多种激光直写系统,并在应用过程中不断地改进升级。另外,突破衍射极限的飞秒激光微纳结构制造技术,能够获得更高的加工精度和更好的分辨率,为微光学元件的制备提供了新的方法。首先介绍了激光直写技术的特点;其次综述了衍射光学元件直写加工技术的研究进展,包括直写技术的影响因素、激光直写系统和多光束加工技术;接着介绍了衍射光学元件的典型应用,如红外成像、色差校正、光束整形、图像显示;最后,对激光直写技术制备衍射光学元件存在的问题和未来发展趋势做出了总结。     

大功率半导体激光器二元光学消像散准直器件设计

半导体激光器发出的光束具有较大的发散角且存在像散,严重影响了其应用。基于对半导体激光器远场分布的准确了解，提出了一种二元光学消像散准直器件的设计方法，并给出了详细的设计原理及过程。依据已知光束等相位面的具体分布（光束的像散因子也包含在其中），可得到二元光学器件的相位分布，使光束经过此二元光学器件后，等相位面成为平面，达到了准直、消像散的目的。此方法简单、直观，具有很高的准确性和可行性。所得二元光学器件表面具有多位相的浮雕结构。