邊界調制孔徑與光柵的菲涅耳衍射特性的研究.pdf

1、作為衍射光學中的基本問題，兩百多年來孔徑衍射的研究從未間斷。至今為止，孔徑衍射仍作為探究光學中特殊現象物理機理的重要手段而備受關注。孔徑的限制和衍射可實現光束能量在空間的再分布，為此通過設計孔徑的形狀和結構從而實現光束能量的人為控制。這也促使孔經及其衍射被廣泛應用于光束整形、光束耦合和波前變換等的研究中，成為微納器件的設計和制造的重要依據。
　　光柵是空間周期分布的縫或孔結構，特殊的周期結構呈現出獨特的光學特性。光柵也出現在如激光

2、脈沖壓縮、光波調制、信息編碼與信息存儲等各個領域，成為脈沖壓縮、波前調制和頻譜分析等的重要手段。光柵的泰伯效應是光柵在衍射過程中呈現的自成像現象，這一衍射光學現象被應用于陣列照明、相位鎖定和光學存儲中，同時也成為光束準直性測量和光波波前、溫度和位移等檢測的重要光學技術方法。隨著研究的深入，光柵泰伯效應這一傳統(tǒng)的衍射光學現象也擴展到了非線性光學、原子光學和量子光學等不同學科領域，有力地促進了不同學科的交叉發(fā)展。
　　設計孔徑結構調控

3、衍射能量的空間分布是衍射光學器件功能設計中的首要任務，也是研究光學衍射的主要目的。在衍射研究的處理中，孔徑和光柵衍射單元的邊界是平滑的，然而事實上，任何制作技術很難做到這一點。實際制造的孔徑和光柵的邊緣往往是粗糙的。鑒于此，本論文圍繞著調制邊界的孔徑和光柵及其菲涅耳衍射開展研究，給出調制邊界定量描述，理論推導了調制邊界孔徑和光柵衍射的光強分布，實驗測量調制邊界孔徑和光柵的衍射圖樣，探究孔徑與光柵的菲涅耳衍射隨調制邊界的演化規(guī)律。本文的具

4、體內容安排如下：
　　第一章為本文的緒論，首先介紹標量衍射的基本理論，包括惠更斯原理、惠更斯—菲涅耳原理、基爾霍夫衍射理論、瑞利—索末菲理論、菲涅耳衍射和夫瑯禾費衍射理論等標量衍射的基本理論，并就這些基本衍射理論的適用條件給出明確的界定。其次分析基于這些理論開展的孔徑與光柵衍射的研究現狀，提出邊界隨機調制的孔徑與光柵衍射研究的必要性。
　　第二章主要介紹邊界調制的孔徑與光柵的產生方法。衍射孔徑的形狀為圓孔和橢圓孔兩種，調制邊

5、界包括正弦邊界和隨機邊界。實驗制作的孔徑粗糙邊界滿足高斯統(tǒng)計分布，因此采用高斯統(tǒng)計模型中粗糙度w和橫向相關長度ξ這兩個參數來描述。而光柵的邊界則采用S. K. Sinha提出的自仿射分形統(tǒng)計模型，當α=1時，這一模型自然退化為高斯統(tǒng)計模型。此時用粗糙度w、橫向相關長度ξ和粗糙指數α這三個參數來描述光柵的粗糙邊界。此外，借助于計算機程序模擬產生了相應的邊界，從而獲得了調制邊界的孔徑和光柵，為后面工作的開展打下基礎。
　　第三章從理論

6、計算、數值模擬、實驗測量上對邊界調制孔徑的菲涅耳衍射進行研究。理論上，根據標量衍射理論和統(tǒng)計光學原理推導圓孔與橢圓孔菲涅耳衍射的解析表達式。通過數值模擬給出不同邊界調制參數的孔徑在不同衍射距離處的衍射圖樣，對比平滑邊界圓孔與橢圓孔的衍射，分析孔徑形狀和邊界參數對衍射的影響。借助于空間光調制器獲得孔徑樣品，搭建光路，完成邊界調制孔徑的衍射的實驗測量。實驗驗證理論分析和數值模擬的結果。這項研究不僅有助于加深對衍射理論的理解，而且獲取的特征衍

7、射圖樣可促進其在光束整形和光學微操控等中的應用。
　　第四章主要開展調制邊界光柵的菲涅耳衍射的研究。根據第二章的原理，模擬產生調制邊界光柵，數值計算了調制邊界光柵的衍射光強分布，分析了光柵泰伯像隨光柵邊界調制參數的演化規(guī)律。為合理解釋這些現象，借助于標量衍射理論和統(tǒng)計光學原理，對邊界調制光柵的菲涅耳衍射進行了理論推導，給出了調制邊界光柵的衍射光強的解析表達式。實驗上借助于液晶光調制器獲得光柵樣品，測量了調制邊界光柵在不同泰伯距離處