用于光束整形與超分辨成像的衍射光學(xué)元件的設(shè)計和實驗.pdf

1、本論文的內(nèi)容分為兩個部分,第一部分為用于光束整形的衍射光學(xué)元件(DOE:Diffractive Optical Elements)的設(shè)計和實驗,第二部分為用于超分辨成像的亞波長衍射光柵的相關(guān)理論分析。
　　 第一部分的研究工作圍繞衍射光學(xué)元件用于光束整形展開。衍射光學(xué)元件的應(yīng)用非常廣泛,在具體的工程應(yīng)用中面臨著不同的系統(tǒng)環(huán)境,我們的研究目的就是優(yōu)化設(shè)計衍射光學(xué)元件使之適應(yīng)不同系統(tǒng),使光束整形效果能夠滿足一定的工程需要。由于所研制

2、的光學(xué)元件的衍射子單元在幾百或幾十微米的量級,所以采用基于標量衍射理論的設(shè)計方法。其主要內(nèi)容和成果如下:
　　 一、DOE表面反射對高功率激光系統(tǒng)的影響及其解決方案
　　 在慣性約束核聚變系統(tǒng)(ICF:Inertial Confinement Fusion)中,強激光使用環(huán)境對光學(xué)元件提出了特殊的要求,在強光應(yīng)用中,必須重視由DOE表面反射引起的強度調(diào)制問題,嚴重的強度調(diào)制將惡化激光束質(zhì)量,甚至損壞光學(xué)元件。用菲涅爾衍射

3、理論,我們模擬了320mm口徑DOE反射光場的分布,由于反射場受到DOE的位相調(diào)制,會出現(xiàn)一些較大的光強極值點,這些點上的能量不容忽視。通常采用光學(xué)元件表面增透處理和小角度傾斜放置的方法來解決,但對于DOE的多臺階表面增透,目前還沒有合適的工藝,所以我們采用小角度傾斜放置的方式來避免反射光直接照射到上一級元件。本文分析了DOE傾斜放置時位相的改變,對傾斜放置時焦斑的光場分布進行了計算模擬,發(fā)現(xiàn)焦斑的勻滑性會受到一定程度的破壞,中心會出現(xiàn)

4、較強的亮點。為了驗證模擬結(jié)果,我們對現(xiàn)有的70mm口徑測試片進行了實驗測試,結(jié)果表明的確會發(fā)生能量聚集在焦斑中心的情況,與模擬結(jié)果基本一致。隨后,針對傾斜放置時DOE位相調(diào)制的改變,本文提出了位相補償方法,即針對某傾斜角度引起的位相差,我們進行相應(yīng)的位相補償,使調(diào)整后的位相分布與非傾斜放置時的位相相同。位相補償方法的模擬結(jié)果顯示,傾斜放置后的光束整形效果與原先的設(shè)計結(jié)果保持一致,即在傾斜放置DOE的同時保證焦斑質(zhì)量不變。
　　

5、二、雙透鏡系統(tǒng)光束整形元件的設(shè)計和實驗
　　 DOE用于光束整形的領(lǐng)域有很多,比如激光直寫設(shè)備。在不同的系統(tǒng)中,DOE的前端環(huán)境會有不同,有時是單透鏡,有時是透鏡組,透鏡組有其自身的優(yōu)點,比如增加設(shè)計自由度,并且由于在傳輸中多考慮了一個采樣面,使得采樣輸入輸出窗口間的關(guān)系由元件距離來決定,從而很容易減小焦斑占輸出窗口的比例,以達到更好的壓制高級次衍射斑,減小能量的損失。
　　 在雙透鏡系統(tǒng)中,光束的傳輸不是一個能夠直接用

6、傅立葉變換來表示的夫朗禾費衍射過程,而是可以分為兩次菲涅爾衍射來描述,基于這個光束傳輸過程,本文將“輸入輸出算法”進行改進,使之適用于雙透鏡系統(tǒng)的設(shè)計,并給出了迭代流程。所設(shè)計出的DOE我們對它進行了工藝制作,并采取了不同的測試手段對其效果進行評估。首先用脈沖激光器作為光源用相紙來接受焦斑,采集結(jié)果顯示出了明顯的形狀輪廓;為了更加精確地了解整形結(jié)果,我們用較弱的連續(xù)光源用CCD接收整形過后的焦斑,測試結(jié)果顯示焦斑有很明銳的邊緣,這很符合

7、激光直寫設(shè)備的技術(shù)需求;最后我們用能量儀對其衍射效率進行了測量。測量結(jié)果在70-80％,根據(jù)以往的DOE制作經(jīng)驗,這屬于正常范圍,并且它能夠滿足一定的工程需求。
　　 第二部分的工作圍繞亞波長金屬光柵用于超分辨成像的研究展開。自從利用負折射材料來實現(xiàn)“完美透鏡”這一設(shè)想被提出以來,相關(guān)的研究成為熱門。其中,遠場超透鏡(FSL:Far-field Superlens)在實驗上將分辨率提高到了幾十納米的水平,它的成像過程由兩個重要部

8、分組成:首先利用銀質(zhì)薄層的表面等離子體共振效應(yīng)來增強隱失場,然后利用亞波長光柵將被增強的隱失場轉(zhuǎn)化為傳播場。在第二個過程中,設(shè)計合適的亞波長光柵使其滿足負一級透過率遠遠大于0級透過率是一個關(guān)鍵問題。目前,FSL只在實驗上實現(xiàn)了其一維成像,因為普通的亞波長光柵只在一個方向上展寬光場的頻譜。如果能夠設(shè)計合適的環(huán)形光柵使其衍射特性達到將隱失場轉(zhuǎn)化為傳播場的要求,那么FSL的二維成像或許更加具有可行性,本部分的研究動機就在于此。對于亞波長衍射光