陣列照明衍射光學(xué)元件的理論與實驗研究.pdf

1、1836年H.F.Talbot首次提出周期性物體的衍射自成像效應(yīng)，又叫做Talbot效應(yīng)。當(dāng)一束單色平面波照射周期性物體時，在物體后的Talbot距離處會產(chǎn)生物體的準(zhǔn)確像，在其分?jǐn)?shù)Talbot距離處也會產(chǎn)生一些分?jǐn)?shù)Talbot像。Talbot陣列照明器(TAI)是以Talbot效應(yīng)為基礎(chǔ)，是一種可以把平面波轉(zhuǎn)換成聚焦陣列光斑的純相位衍射光學(xué)元件。這種基于分?jǐn)?shù)Talbot效應(yīng)的純相位陣列照明衍射光學(xué)元件設(shè)計方法簡單，不需要復(fù)雜的迭代算法，

2、并且可以根據(jù)需要選擇不同的分?jǐn)?shù)Talbot距離或設(shè)計不同的純相位分布來獲得不同壓縮比的陣列照明效果。自1988年Lohmann和Thomas首次提出利用分?jǐn)?shù)Talbot效應(yīng)產(chǎn)生陣列照明的方法之后，有很多研究者在這一方面做出了大量的理論與實驗研究。這種陣列照明衍射光學(xué)元件已經(jīng)在光功率分配、多通道互連、光計算、光通信等領(lǐng)域得到實際應(yīng)用。 本論文基于Talbot效應(yīng)的倒格矢理論分析了幾種常見的二維周期陣列物體的分?jǐn)?shù)Talbot效應(yīng)，設(shè)

3、計了幾種Talbot陣列照明器，并給出了計算機模擬結(jié)果與實驗結(jié)果。 在此基礎(chǔ)上，為了克服現(xiàn)有的Talbot陣列照明器只能把平面波轉(zhuǎn)換成具有均勻強度分布的陣列光斑的不足提出了一種改進的純相位Talbot陣列照明器，用它可以產(chǎn)生具有非均勻強度分布陣點的聚焦陣列光斑。這種改進的純相位Talbot陣列照明器的設(shè)計原理是基于我們在實驗中發(fā)現(xiàn)的一種Talbot陣列照明器衍射的相襯效應(yīng)：如果我們把Talbot陣列照明器的每一個基元都增加一個特

4、殊的相位結(jié)構(gòu)，在分?jǐn)?shù)Talbot平面附近的輸出面上通過選擇適當(dāng)?shù)碾x焦量可以得到具有非均勻強度分布的特殊基元結(jié)構(gòu)。最后我們將基于倒格矢理論的Talbot陣列照明器設(shè)計方法用于設(shè)計基于液晶空間光調(diào)制器的微透鏡陣列，并和傳統(tǒng)的微透鏡陣列設(shè)計方法進行了比較。 通過對基于液晶空間光調(diào)制器的微透鏡陣列聚焦特性的理論和計算機模擬研究，發(fā)現(xiàn)了一條降低聚焦光斑衍射噪聲的新途徑，即可以通過使陣列微透鏡的焦距與液晶空間光調(diào)制器的點陣參數(shù)滿足一定條件來

5、降低衍射噪聲和改善聚焦光斑質(zhì)量。本論文的主要創(chuàng)新點概括如下： 1.將分?jǐn)?shù)Talbot效應(yīng)和衍射相稱效應(yīng)相結(jié)合，提出了一種稱為相襯Talbot陣列照明器的新型陣列照明衍射光學(xué)元件及其設(shè)計方法，并給出了具體的設(shè)計實例和實驗驗證結(jié)果。作為應(yīng)用實例，我們給出了幾種可以產(chǎn)生不同強度分布基元的相襯Talbot陣列照明器設(shè)計圖樣，并通過計算機模擬和實際實驗研究了它們的輸出特性，實驗證實了該方法的實際可行性。 2.通過對基于液晶空間光調(diào)