多层衍射光学元件衍射效率的研究

论文摘要

多层衍射光学技术是衍射光学领域的前沿课题之一。多层衍射光学元件能够在很宽的光谱波段范围内获得很高的衍射效率,解决了传统单层衍射光学元件存在的偏离设计波长后衍射效率显著下降的问题。本文首先基于光波的标量衍射理论和位相光栅方程,对衍射光学元件的衍射效率问题进行了深入的研究。通过对单层衍射光学元件表面微结构、基底材料的选择等相关参数的讨论,分析了斜入射状态下单层衍射光学元件的衍射效率特性。讨论了衍射光学元件的消色差和消热差特性,以及衍射光学元件产生冷反射的计算分析方法。分析了衍射光学元件的初级像差特性。分析了谐衍射光学元件的设计方法,讨论了谐衍射光学元件的色散特性,以及谐衍射光学元件不同于传统单层衍射光学元件的衍射效率特性。基于单层衍射光学元件斜入射衍射效率的分析,研究了斜入射状态下多层衍射光学元件衍射效率与入射角的变化关系,并建立了描述这种关系的数学模型。分析了在不同方向斜入射时,衍射效率随入射角度的变化关系,不仅分析了双层衍射光学元件斜入射时的衍射效率特性,同时,也讨论了三层衍射光学元件斜入射的衍射效率和入射方向、基底材料的选择以及中间介质材料选择的关系。衍射光学元件的微结构高度、周期宽度等参数的加工误差会对衍射效率产生直接的影响。本文基于衍射光学元件的微结构高度、周期宽度等参数与衍射效率的关系,在对单层衍射光学元件的加工误差对衍射效率影响的分析基础上,研究了多层衍射光学元件的加工误差对其衍射效率影响的分析方法。针对多层衍射光学元件的微结构高度误差变化一致和相反的两种情况,给出了多层衍射光学元件的微结构高度误差对衍射效率的影响,当微结构高度误差变化趋于一致时,对应的衍射效率下降比较缓慢。这个结论可以用来指导衍射光学元件的加工,以及存在加工误差时如何实现衍射效率的最大化设计。本文讨论了衍射光学元件衍射效率的实验测量方法。以衍射光学元件衍射效率的定义为基础,分析了衍射效率的测量原理,进一步搭建了衍射效率的实验测量装置。通过合理地选择测量装置中针孔光阑的大小,能够精确地得到一级衍射的能量,并滤掉次级衍射对测量结果的影响,保证了测量结果的准确性。用这个测量装置对一个已经研制出的折衍射混合成像光学系统中的单层衍射光学元件进行了衍射效率的测量,分别选择了三个激光波长,测量了单层衍射光学元件的衍射效率,通过将衍射效率测量结果的拟合曲线与理论曲线进行对比可知,双光路测量装置能够以较高的精度测量衍射光学元件的衍射效率。为了验证多层衍射光学元件的衍射效率随入射角度的变化关系,设计并研制了一个含有多层衍射光学元件的光学系统,在O。-30.6。范围内对该多层衍射光学元件进行了衍射效率的测量,获得了多层衍射光学元件的衍射效率与入射角度对应关系的实验测量结果。该测量结果验证了通过理论计算得到的多层衍射光学元件衍射效率与入射角的变化关系,实际测量得到的多层衍射光学元件的衍射效率与入射角度关系的变化趋势与理论分析得到的变化趋势是一致的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 衍射光学技术的发展概述
• 1.2 衍射光学元件的主要加工方法
• 1.3 衍射光学元件的应用
• 1.4 衍射光学元件的分析模型
• 1.5 本课题的研究内容与目标
• 参考文献
• 第二章 衍射光学元件的成像性质
• 2.1 衍射光学的标量衍射理论
• 2.1.1 基尔霍夫衍射理论
• 2.1.2 标量衍射理论的局限性
• 2.2 衍射光学元件的设计
• 2.2.1 衍射光学元件的设计原理
• 2.2.2 衍射光学元件的成像光学系统模型
• 2.3 衍射光学元件的高折射率模型
• 2.4 多级位相光栅的衍射效率分析
• 2.4.1 光栅与位相光栅的概念
• 2.4.2 位相光栅衍射效率公式的推导
• 2.5 单层衍射光学元件的衍射效率
• 2.5.1 连续位相结构的衍射光学元件的衍射效率表达式
• 2.5.2 有限带宽的衍射光学元件的衍射效率表达式
• 2.6 入射角度对单层衍射光学元件衍射效率的影响
• 2.6.1 光束斜入射时单层衍射光学元件的衍射效率表达式
• 2.6.2 光束斜入射时单层衍射光学元件的衍射效率分析
• 2.7 衍射光学元件的色散特性
• 2.7.1 衍射光学元件的光焦度
• 2.7.2 衍射光学元件的色散性质
• 2.7.3 折衍射混合光学系统的消色差和复消色差
• 2.8 衍射光学元件的消热差特性
• 2.8.1 折射元件的热阿贝数
• 2.8.2 衍射光学元件的热阿贝数
• 2.8.3 折衍射混合光学系统的消热差
• 2.9 衍射光学元件的冷反射特性
• 2.10 衍射光学元件的初级像差特性
• 2.11 小结
• 参考文献
• 第三章 多层衍射光学元件的衍射效率特性
• 3.1 谐衍射光学元件的特性
• 3.1.1 谐衍射光学元件的设计理论
• 3.1.2 谐衍射光学元件的衍射效率
• 3.1.3 谐衍射光学元件的色散特性
• 3.2 多层衍射光学元件的衍射效率
• 3.2.1 多层衍射光学元件的结构形式
• 3.2.2 多层衍射光学元件的设计原理
• 3.2.3 多层衍射光学元件斜入射的衍射效率
• 3.3 双层衍射光学元件斜入射的衍射效率
• 3.3.1 双层衍射光学元件的衍射效率与入射角度的关系
• 3.3.2 双层衍射光学元件的衍射效率与入射方向的关系
• 3.4 三层衍射光学元件斜入射的衍射效率
• 3.4.1 三层衍射光学元件的衍射效率与入射方向的关系
• 3.4.2 三层衍射光学元件的衍射效率与基底材料选择的关系
• 3.4.3 三层衍射光学元件的衍射效率与中间介质材料选择的关系
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 加工误差对衍射光学元件衍射效率的影响
• 4.1 加工误差对单层衍射光学元件衍射效率的影响
• 4.1.1 单层衍射光学元件的微结构高度误差对衍射效率的影响
• 4.1.2 单层衍射光学元件的周期宽度误差对衍射效率的影响
• 4.1.3 单层衍射光学元件的环带过渡区域表面倾斜对衍射效率的影响
• 4.2 加工误差对多层衍射光学元件衍射效率的影响
• 4.2.1 多层衍射光学元件的相对微结构高度误差相等时对衍射效率的影响
• 4.2.2 多层衍射光学元件的相对微结构高度误差相反时对衍射效率的影响
• 4.2.3 多层衍射光学元件的周期宽度误差对衍射效率的影响
• 4.2.4 多层衍射光学元件的加工误差对衍射效率的影响
• 4.3 小结
• 参考文献
• 第五章 衍射光学元件衍射效率的测量
• 5.1 衍射光学元件衍射效率的测量原理
• 5.1.1 衍射光学元件衍射效率的测量原理及方法
• 5.1.2 衍射光学元件衍射效率测量的实验装置框图
• 5.1.3 一级衍射能量的修正
• 5.2 衍射光学元件衍射效率的测量装置
• 5.2.1 光源
• 5.2.2 分光镜
• 5.2.3 显微物镜和空间滤波器
• 5.2.4 平行光管
• 5.2.5 光功率计
• 5.2.6 针孔光阑
• 5.3 衍射光学元件衍射效率的实验测量方法
• 5.3.1 衍射光学元件衍射效率的实验测量装置
• 5.3.2 衍射光学元件衍射效率的测量步骤
• 5.4 衍射光学元件衍射效率测量结果的处理方法
• 5.4.1 一级衍射光能量的测量
• 5.4.2 总能量的测量
• 5.4.3 测量结果的分析方法
• 5.5 单层衍射光学元件衍射效率的测量
• 5.5.1 单层衍射光学元件衍射效率的测量结果
• 5.5.2 单层衍射光学元件衍射效率的测量结果与理论计算结果的对比
• 5.5.3 单层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率
• 5.5.4 单层衍射光学元件斜入射衍射效率的测量结果
• 5.6 多层衍射光学元件斜入射衍射效率的测量
• 5.6.1 含有多层衍射光学元件的光学系统的设计
• 5.6.2 多层衍射光学元件的加工
• 5.6.3 多层衍射光学元件衍射效率测量角度的选择
• 5.6.4 多层衍射光学元件衍射效率的测量结果
• 5.6.5 多层衍射光学元件衍射效率的测量结果与理论计算结果的对比
• 5.7 小结
• 参考文献
• 结论
• 致谢
• 在攻读博士学位期间发表的学术论文和参与的科研项目