衍射光学技术及其应用

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1、衍射光学技术及其应用谭峭峰清华大学精仪系光电工程研究所内容：什么是衍射光学，优势何在？如何设计衍射光学器件？如何加工衍射光学器件？衍射光学器件的应用光线：折射、反射传播方向由斯涅耳公式确定能量分配由菲涅耳公式确定薄透镜成像电磁波：衍射、干涉、偏振等杨氏双缝干涉实验单缝衍射实验信息信息的获取信息的传输信息的存储信息的处理信息的显示······仪器仪表光学仪器仪表激光1960年1、什么是衍射光学？光学技术与仪器的发展趋势：小(微)型化、阵列化、集成化。传统的光学器件对此却“心有余而力不足”，供需矛盾就要求在技术上要有所创新与突破。微光学微光学两个主要分支:基于折射原理的梯度折射率光学基于光波衍射

2、原理的衍射(二元)光学1987年，美国MIT林肯实验室Veldkamp领导的研究组在设计新型传感系统中，率先提出了“二元光学”的概念。二元光学元件因其在实现光波变换上所具有的许多卓越的、传统光学难以具备的功能，而有利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化，开辟了光学领域的新视野。衍射光学定义：基于光的衍射理论，利用计算机辅助设计、并用大规模集成电路制作工艺，在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，它是一种纯位相衍射光学元件。折射透镜到衍射光学器件浮雕结构的演变掩模曝光显影刻蚀二元！衍射理论：标量衍射理论和矢量衍射理论。特征尺寸>波长，标量衍射理论；特征尺寸~波长

3、，矢量衍射理论。菲涅耳衍射：夫琅和费衍射：高衍射效率•独特的色散性能更多的设计自由度•宽广的材料选择性特殊的光学功能衍射光学的优点：高衍射效率L：位相台阶数3>1>2折衍混合物镜传统物镜独特的色散性能宽广的材料可选性只要能刻蚀的，都能作为基底进行衍射光学器件的刻蚀。光学材料、光子学材料、光电材料、电子学材料熔融石英、硅、SiO2,SiON,Si3N4玻璃glass塑料plastic丙烯酸acrylic环氧epoxy聚酰胺polyamide聚碳酸酯polycarbonate树脂resinZnS铝aluminum铬chromium铜copper锗germanium砷化锗germaniuma

4、rsenide金gold镍nickel更多的设计自由度台阶位置、宽度、深度、形状等。MicrolensmulticolordispersivebeamcollimatorasphericgenerationMultifocalchromaticcorrectionbeamdiverterasphericcorrectionbeamsteerer,scannerpolarizationrotatorbeammultiplexerwavefrontsampler特殊的光学功能2、如何设计衍射光学器件？标量衍射理论：菲涅耳衍射与夫琅和费衍射空间线性变换系统中的输入输出变换问题解的存在性和唯一性？？

5、位相恢复问题：已知光学系统输入面光场振幅与位相分布，如何计算衍射光学器件的位相分布以正确调制入射光场，高精度地给出预期输出振幅分布，实现所需功能。衍射光学实现光束匀滑DOE透过率函数不能解析求解转化成优化问题许多优化算法被提出来进行衍射光学器件的设计：a.遗传算法(GA)b.模拟退火算法(SA)c.Gerchberg-Saxton算法(GS)d.杨-顾算法(YG)e.最速下降算法f.爬山法g.全局／局部联合搜索算法(GLUSA)h.爬山—模拟退火混合算法……全局搜索算法局部搜索算法混合算法全局优化潜力优化效率不高优化效率高最早的实用算法是GS算法，于1971年由Gerchberg和Saxto

6、n首先提出。GS算法的不足与改进：不足:包含许多位相突变点PMA、缓变的理想输出函数等引入局部替代函数获得连续位相分布不足:局部搜索算法输入输出、ST等对初始值敏感、易陷入局部极值点、设计性能不好ST改进算法设计结果YG算法：更普适的算法20世纪80年代初中科院物理所杨国桢、顾本源矩阵迭代求解公式YG算法的不足与改进：与GS算法类似ST改进难以兼顾位相的缓变与光束匀滑性能的优良SA算法借鉴不可逆动力学的思想，是一种基于蒙特卡洛迭代求解法的启发式随机优化方法。它不同于局部搜索之处在于以一定的概率选择邻域中评价函数值大的状态，从理论上讲，是一种全局优化算法。SA算法：爬山—模拟退火混合算法：位相

7、连续性得到保证局部搜索方向(爬山法):+全局优化(SA)：以一定概率跳出局部极值点优化的位相分布：特征尺寸~波长量级或亚波长量级矢量衍射理论基于电磁场理论，在适当的边界条件上严格地求解麦克斯韦方程组。已经发展了几种理论，如耦合波、时域有限差分法、边界元法、模态法等。但总的来说，这些理论方法设计衍射光学器件都要进行复杂的且费时的计算机运算，难以进行优化设计，常用来分析器件性能。有待发展实用而有效的设计理论。矢量