衍射微柱透镜轴向光强分布特性的严格电磁分析

衍射聚焦器件轴向光强分布的焦深和焦移特性，直接决定着系统接收面的装配误差和获得最佳的能量利用率。当器件的口径和面型特征尺寸可与照射波长比拟时，必须考虑光波与衍射器件的电磁作用。利用严格电磁分析方法——时域有限差分法，对有限口径衍射微柱透镜的轴向光强分布进行了严格分析，并且与传统的标量分析方法进行详细比较。分析比较了TE和TM极化波入射情况下，不同面型分布(8台阶，16台阶量化面型和连续面型)的衍射微柱透镜焦深和焦移特性与透镜F数的关系。结果表明透镜轴向光强最大点向透镜面偏移，焦移量的严格计算结果要大于标量计算结果，表明透镜的快聚焦特性，而二者得到的焦深量基本一致，同时两种理论方法都表明透镜焦深和焦移随F数的增加而增加。     

衍射微柱透镜聚集特性的严格电磁分析

利用时域有限差分(FDTD)方法作为严格电磁计算模式,分析了有限口径衍射微柱透镜衍射效率与透镜F数的关系.严格分析比较了在不同入射极化波(TE极化和TM极化)情况下,具有不同面型分布(连续面型和8台阶、2台阶量化面型)的微柱透镜衍射效率随透镜F数的变化,并且与传统标量理论进行了比较.结果表明,随着F数的减小,标量理论和严格矢量理论得到的透镜衍射效率之差逐渐加大;在大F数情况,TM极化波入射时微柱透镜的衍射效率要略高于TE极化波入射的情况.     

衍射微柱透镜聚焦特性的严格电磁分析

利用时域有限差分(FDTD)方法作为严格电磁计算模式，分析了有限口径衍射微柱透镜衍射效率与透镜F数的关系。严格分析比较了在不同入射极化波(TE极化和TM极化)情况下，具有不同面型分布(连续面型和8台阶、2台阶量化面型)的微柱透镜衍射效率随透镜F数的变化，并且与传统标量理论进行了比较。结果表明，随着F数的减小，标量理论和严格矢量理论得到的透镜衍射效率之差逐渐加大；在大F数情况，TM极化波入射时微柱透镜的衍射效率要略高于TE极化波入射的情况。     

有限口径衍射微光学元件的严格矢量分析

利用二维时域有限差分方法（FDTD）对有限口径衍射微光学元件进行严格矢量分析。讨论了算法的数值色散，计算空间吸收边界的设置和FDTD计算区稳定电磁场向观察的传播算法，它们构成严格分析有限口径衍射微光学元件的有效工具。利用该工具严格分析了衍射微柱透镜衍射效率与面型量化阶次、透镜F数的关系，分析结论对衍射微光学元件的实际应用和设计都有指导意义。     

有限口径亚波长衍射光学器件的严格矢量分析

利用二维时域有限差分(FDTD)方法作为严格电磁计算模式,分析、比较了连续面型和经过Farn方法得到的亚波长结构面型的衍射微柱透镜在TE极化波和TM极化波入射情况下的聚焦特性。对不同F数衍射微柱透镜的严格矢量分析表明,亚波长结构器件的聚焦特性对输入光波的极化情况有更强的敏感性。并简要讨论了FDTD方法的数值色散和计算空间吸收边界的设置等问题。     

毫米波衍折射透镜系统焦区矢量场快速分析

将快速分析单个二元衍射透镜焦区标量场的射线衍射传播法发展为矢量射线衍射传播追迹法,此方法能快速有效地分析二元衍射透镜及折射透镜组合光学系统的焦区矢量场,获得相应的成像性能。与二维时域有限差分法(2D-FDTD)相比,矢量射线衍射传播追迹法的计算时间显著缩短。矢量射线衍射传播追迹法与2D-FDTD计算结果及实验结果对比验证了其正确性。     

不同衍射计算方法比较及误差分析

对多种衍射计算方法进行了比较及误差分析,为衍射计算方法的合理选择提供了指导.研究表明衍射距离小于波长的情况下,经典标量衍射或矢量衍射都有较大误差,需要使用电磁场仿真软件进行计算;波长量级下矢量衍射模型较为准确;一般距离下,矢量衍射与标量衍射计算结果几乎一致.标量衍射模型中积分法和角谱法计算结果的差距随着衍射距离的增加逐渐增大.相同物理尺寸下积分法的结果更加准确.增加网格采样点数只能够提高积分法的精度,对于角谱法可以通过增加衍射平面的物理尺寸来降低计算误差.通过物理实验验证了计算结果的正确性.     

W 波段焦面阵成像Teflon 衍射微透镜阵列研究

提出并设计了一种应用于W波段焦面阵成像的新型二元Teflon衍射微透镜阵列。新型衍射微透镜阵列仅有两个台阶,与传统折射微透镜阵列相比,大幅度地降低了加工制作的难度。用几何光学、物理光学及FDTD相结合的混合数值方法分析计算了物镜焦区场与微透镜阵列的耦合特性,混合数值分析方法的正确性通过相关实验得到了验证。研究表明,衍射微透镜阵列可具有良好的成像性能。     

利用矢量衍射理论设计二元光学微透镜

对于低f数(f/＃)的二元光学透镜,它的衍射效率低于由标量衍射理论所计算的值.要提高低f数透镜的衍射效率,矢量衍射理论是必不可少的.美国LSA公司的J.Michael Fin-lan和Kevin M.Flood以及Cornell大学Knight实验室的Richard J.Bojko在美国空军Phillips实验室资助下作了如下工作.利用电子束刻蚀和离子刻蚀方法得到f数为1的30×50微透镜阵列.每一透镜中心之间的距离为300μm,是在熔石英上制造的.利用矢量衍射理论和标量衍射理论设计的透镜,在对椭圆高斯光束衍射时,测得的衍射效率分别是80%和60%.     

用三区三元相位滤波器提高近场光存储系统的焦深

为了提高近场固体浸没透镜光存储系统的焦深,设计了三区三元相位滤波器.设计建立在矢量衍射理论基础上,应用MATLAB优化工具箱优化设计出可以获得最大焦深的滤波器结构参数.在设计过程中,我们限定记录光斑的大小与没有滤波器时的光斑大小相等,而光斑的强度减小一半,所设计的滤波器可以使近场固体浸没透镜光存储系统的焦深提高1.6倍...     

部分相干环形光束经透镜聚焦的焦移和焦开关

为了从理论上对部分相干环形光束被透镜聚焦后轴上点的光强分布以及焦移和焦开关现象进行研究,采用惠更斯-菲涅耳衍射积分方法进行了理论分析,取得了轴上点光强分布及焦移、焦开关现象的相关数据。结果表明,焦移量不仅依赖于环形光束外半径的菲涅耳数,还依赖于入射部分相干光的空间相干度和中心拦截比。菲涅耳数越大,焦移量越小;部分相干光的空间相干度越高,焦移量越小。菲涅耳数一定时,环形光束的中心拦截比越大,焦移越大。对于某一固定的空间相干度,随着菲涅耳数的降低会出现焦开关现象。这些结果对研究部分相干环形光束的聚焦性质是有帮助的。     

设计参数变化对衍射微透镜的影响

给出了多台阶衍射微透镜的设计公式,并阐述了旋转体时域有限差分法。通过采用该方法对设计的多台阶衍射微透镜进行分析,说明了设计参数(包括焦距、入射波长、透镜材料折射率)的变化与微透镜衍射效率、爱里斑半径、最大场强变化的关系,对部分结果的定性讨论与数值分析结果一致。     

长加工距离的激光淬火光束的设计

利用Ｙ－Ｇ算法设计了一种衍射光学元件来对入射的高斯光束进行整形，获得在输出平面上光强成抛物线分布的光束，册时该聚焦平面与衍射光学元件的距离较长，可以解决透镜受污染、寿命短的问题。     

“孔雀眼”波带片的长焦深特性研究

基于能量守恒原理,利用追迹法、计算机编码设计了用作长焦深元件的“孔雀眼”波带片。对其作为长焦深元件的两个重要参量——轴向光强分布和沿轴向一定范围内聚焦中心光斑大小的变化进行了模拟分析,得出了沿轴向一定范围内聚焦中心光斑大小基本恒定的结论。进行了实验验证,为实际应用这种长焦深元件提供了依据。