分数傅里叶域微光学元件设计方法研究

论文摘要

微光学元件以其效率高、体积小、重量轻、易于复制、可以实现多种变换功能等优点在现代科技中有着越来越广泛的应用。为拓展微光学元件操作区域,改善其光学变换功能,提高光学系统整体性能和光路安排的灵活性,本论文提出一种用于分数傅立叶域光学变换的位相型微光学元件设计方法,以同时优化空域和频域信息为目标,通过逆向设计并预设微光学结构的初位相,建立了针对微光学元件设计的分数傅里叶域迭代FrPI算法。该算法具有快速,灵活、普适性好等优点。我们编制了用FrPI算法设计微光学结构的应用仿真软件,为分数域光学元件的设计提供了一个快速方便的工具。 此外,针对离轴照明系统需要多种不同次级光源的要求,我们开展了微光学元件设计和模拟研究,将整形操作面由传统的傅里叶变换平面拓展到分数傅里叶变换平面,为分数域微光学元件在离轴照明系统中的分束操作提供了理论依据。 我们还针对在诸多领域有广泛应用的光束相干叠加技术的需求,提出一种近场光束相干叠加新方案,设计了分数域并束微光学元件,增加了分数域整形元件设计的自由度,为改善相干并束的耦合效率和压缩并束光学系统体积尺寸提供了有效途径。 模拟研究表明,优化的分数域元件衍射效率可达到90%以上,其效果优于常规傅里叶域整形等其他方法,并有加工方便,应用灵活等优势。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 整形光学元件
• 1.2 微光学元件在分束、并束中的应用
• 1.2.1 离轴照明中的整形技术
• 1.2.2 微光学元件在光束相干叠加中的应用
• 1.3 微光学元件设计方法
• 1.4 本论文的研究内容
• 第二章 分数傅里叶变换
• 2.1 基本定义及性质
• 2.2 分数傅里叶变换的光学实现
• 2.2.1 二次方梯度折射率（GRIN）介质
• 2.2.2 薄透镜系统
• 2.3 分数傅里叶变换的意义
• 第三章 分数域微光学元件的设计及在离轴照明中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 G-S算法
• 3.3 分数域微光学元件的设计算法——FrPI算法
• 3.4 FrpI算法应用于离轴照明技术的模拟计算与分析
• 3.4.1 设计优化的分数阶
• 3.4.2 分数域微光学元件的量化结果
• 3.4.3 加工深度误差对整形结果的影响
• 3.5 小结
• 第四章 分数域微光学元件在光束相干叠加中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 分数域光束相干叠加方案
• 4.3 FrPI算法应用于光束相干叠加技术的模拟计算与分析
• 4 3.1 设计优化的分数阶
• 4.3.2 分数域微光学元件的量化结果
• 4.3.3 加工深度误差对整形结果的影响
• 4.4 小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 声明