多层衍射光学元件设计原理与衍射效率的研究
红外双层衍射光学元件衍射效率研究
红外双层衍射光学元件衍射效率研究王继凯;向阳;王培芳【摘要】红外衍射光学系统中衍射元件的设计波长直接影响光学系统的衍射效率.介绍了常见的三种红外材料,利用整个波段(3~14μm)衍射效率的平均值作为评价红外双波段衍射效率的因子,分别模拟了三种不同材料组合下,561种设计波长组合的平均衍射效率.结果得出:三种材料的不同组合,在与之相对应的设计波长下,其衍射效率平均值均可达到96%以上.设计了含有双层衍射元件的中远红外光学系统:入瞳直径EPD=33mm,视场2ω=9.2°,焦距f′=50mm,中波红外的传递函数(MTF)在40lp/mm所有视场达到0.6,长波红外在40lp/mm所有视场达到0.2.%In terms of the infrared optical system,its diffraction efficiency is directly affected by the design wavelength. This paper mainly simulated three combinations of common infrared materials in 561 combinations of design wave-lengths. During the simulation,the average diffraction efficiency in the wave band was regarded as the evaluation factor. It could be found that when the combination of different materials at the design wavelengths is used in the design of DOE, theoretically, all the diffraction efficiencies of the DOE are more than 96%. Based on the theory in the paper, the Mid-Wave and Long-Wave infrared diffractive optical systems were designed:EPD=33mm, FOV=9.2 degrees, Focal Length=50mm,the Modulation Transfer Function (MTF)in 40lp/mm in all fields more than 0.6,MTF in 40lp/mm in long-wave more than 0.3.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(039)002【总页数】5页(P25-29)【关键词】衍射效率;设计波长;红外材料;光学设计【作者】王继凯;向阳;王培芳【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022【正文语种】中文【中图分类】TN216普通衍射光学元件的设计以及加工在红外波段已经非常成熟，利用其特殊的负色散以及负热差性可以有效地进行光学系统的消色差以及无热化的设计。
衍射光学元件设计参数对束匀滑衍射效率的影响
（ ｉ，Ｙ．）一 ｊ （ｚｉ， ｉ）⑧ｒｅｃｔ（￣，等）
（４）
式 中 ：ｒｅｃｔ为矩形 函数 ，表示 由 ｌ ｚｉ／Ｔｌ≤ １／２和 ｌ ｙ ／Ｔｌ≤１／２围成 的正 方形 ，在 方形 区域 内函数取值 为 １，其它
＊ 收 稿 日期 ：２００９—０４—２９； 修 订 日期 ：２００９—０９—０９ 基 金 项 目 ：国家 高 技术 发 展 计 划 项 目 作 者 简 介 ：曹 国威 （１９８７一 ），男 ，山 东 省单 县人 ，硕 士 研 究 生 ，主要 从 事 ＤＯＥ器 件 的设 计 与 应 用 研 究 工作 ；ｃｇｗ２００３＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ。
曹国威 ， 刘 强 ， 石 鹏 ， 李永平 。
（１．中 国科 学 技 术 大 学 物 理 系 ，合 肥 ２３００２６； ２．中 国科 学 院 量 子信 息 重 点 实 验 室 ，合 肥 ２３００２６）
摘 要 ： 经 过 理 论 推 导 ，分 析 了 ３２０ ｍｍ 口径 衍 射 光 学 元 件 在 束 匀 滑 实验 中光 强 分 布 出 现 高 级 次 衍 射 斑
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
射 斑 造 成 的 衍射 效 率 损 失 ，控 制在 ２ 以 内 ，使 台 阶 分 布 式 相 位 片 实 际衍 射 效 率 得 到 提 高 ，在 对 口径 为 ７Ｏ及
３２０ ｍｍ 的 台 阶分 布 式 相 位 片 样 品 测试 中得 到 了验 证 。
关 键 词 ： 衍 射 光 学 元件 ； 束 匀 滑 ； 衍 射 效 率 ； 台阶 分 布 式 相 位 片
９（ｘｉ，ｙｉ） （ｚｉ— Ｔ ，ｙｉ— ｎＴ ）
（３）
式 中 ：９（ｘｉ，ｙｉ）为理想 连续相 位分 布 ；Ｔ表示 即输 入抽样 间 隔 ；Ｎ 为 １维抽样 点数 。 在 ＤＰＰ方案 中 ，对 台 阶相位 的实现是 以抽样 点为 中心 的方形 等值恢 复过程 ，可 以表 示成离 散卷积 的形式
衍射光学元件的基本原理
衍射光学元件的基本原理衍射光学元件是由二元光学的发展而衍生出来的一种新的光学器件，属于微光学范畴。
光的衍射理论是设计衍射光学元件的基本原理。
光的衍射公式复杂冗长，不便于实际应用，维尔克斯光电根据实际工程中holoor衍射光学元件的使用情况，精心总结了以下简化的公式，以相对简单的方式阐述衍射光学元件基本原理。
衍射光学公式：光栅方程&垂直入射：光栅方程&斜入射衍射角度随波长的变化：衍射极限的光斑尺寸：Holoor以对比度来定义光斑均匀性：Holoor的衍射光学元件DOE对于校准后的激光光束效果最好，但也可用于调制未校准的激光光束；DOE衍射光学元件不要求激光光束是偏振的或相干的；DOE衍射光学元件不会影响激光的偏振态，除了亚波长regime。
激光光束分束器/激光点阵衍射光学元件/多光斑衍射光学元件用到的衍射光学原理Holoor 激光光束分束器/激光点阵衍射光学元件/多光斑衍射光学元件用于把一个激光光束分解为多个光束，而且每个光束的特性和入射的原始激光光束一致。
入射激光光束模式：单模/多模相邻激光点/激光光斑的间距：每个点的尺寸：容忍度：对于X轴Y轴Z轴的对准偏差不敏感衍射效率：70~95%均匀性：典型值<5%平顶光束整形器Holoor平顶光束整形器的作用是把一个高斯入射激光光束在一个特定的工作平面上转化为一个均匀的激光光斑，形成一个具有极好的能量均匀性的像。
特性：成像尺寸可以为衍射极限的1.5倍~几百倍输入激光模式：单模TEM00 （建议M2<1.3）衍射效率：>93%衍射均匀性：典型值<5%，无杂散光容忍度：对于X轴Y轴的对准/校准敏感，聚焦和输入光束尺寸有关激光匀化器、扩散器Holoor 激光匀化器、扩散器的作用是是激光束变为任意形状的、具有均匀能量分布的大光斑，光斑形状可以为圆形、正方形、线性、六边形，甚至是任意形状。
输入激光模式：单模或多模（M2越大匀化效果越好）衍射效率：典型值70%~90%容忍度：对于X轴Y轴Z轴的对准偏差不敏感轴向多焦点激光透镜Holoor 轴向多焦点激光透镜可以在激光的传播方向上形成多个焦点，区别于传统的只产生一个焦点的激光透镜/衍射光学元件。
三层衍射光学元件斜入射衍射效率特性研究
三层衍射光学元件斜入射衍射效率特性研究
杨亮亮
【期刊名称】《红外》
【年(卷),期】2018(39)12
【摘要】正入射通常不能反映成像衍射光学元件的实际工作状态,斜入射才是其普遍工作状态.建立了斜入射时三层衍射光学元件的衍射效率与入射角度关系的表达式.针对入射方向、两侧基底材料以及中间介质材料这三个影响因素,分析了三层衍射光学元件的衍射效率随入射角度的变化关系.结果表明,光线从正谐衍射元件端入射时,对应的衍射效率随入射角度增大下降得比较缓慢.组成三层衍射光学元件两侧谐衍射元件基底材料的阿贝数差值越大,衍射效率随入射角度增大下降得越缓慢.中间介质材料的选取由三层衍射光学元件工作时的入射角度范围决定.该分析方法和结论适用于可见光、红外等光学系统中的三层衍射光学元件.
【总页数】6页(P24-29)
【作者】杨亮亮
【作者单位】盐城师范学院新能源与电子工程学院,江苏盐城224007
【正文语种】中文
【中图分类】O436
【相关文献】
1.红外双层衍射光学元件衍射效率研究 [J], 王继凯;向阳;王培芳
2.光斜入射下光栅特性及衍射特性研究 [J], 陆荷琴
3.温度与微结构高度误差对衍射光学元件衍射效率的影响研究 [J], 杨亮亮; 赵勇兵; 唐健; 郭仁甲
4.多层衍射光学元件设计原理与衍射效率的研究 [J], 裴雪丹;崔庆丰;冷家开;董辉
5.多层衍射光学元件成像特性的研究 [J], 董辉;崔庆丰;裴雪丹;冷家开
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衍射光学器件设计的gs算法基本原理和体会
衍射光学器件设计的gs算法基本原理和体会GS算法（Grating Solver）是一种用于衍射光学器件设计的最优化算法，其基本原理是通过不断调整器件参数，使得衍射效率达到最大值。
在衍射光学器件设计中，例如衍射光栅、衍射薄膜等，主要目标是通过光的干涉与衍射现象达到特定的光谱传输效果。
GS算法通过对衍射光学器件的结构进行优化，使得光在器件中的传输效率最大化。
GS算法的基本思路是基于反射光栅理论，通过求解一定波长或频率范围内的最优衍射效率，来设计光栅的几何参数，如刻线周期、刻线深度等。
主要包含以下几个步骤：1. 建立衍射模型：确定设计目标和约束条件，建立数学模型。
根据器件的特性和设计目标，例如希望实现多重色散、特定波长的反射/透射光谱等，建立数学模型用于求解光栅本征模式。
2. 参数化表示：将光栅的关键几何参数进行参数化表示，例如周期、深度等。
将这些参数变量化后，可以将优化问题转化为参数空间的搜索问题，便于使用优化算法求解。
3. 求解最优解：利用优化算法对参数空间进行搜索，并通过目标函数和约束条件进行求解。
GS算法中使用的回溯搜索和梯度优化技术，可以有效地避免局部最优解。
4. 迭代优化：根据实际设计需求和优化结果，进行参数调整和迭代优化，直至满足设计要求。
这个过程通常需要多次迭代，根据具体优化问题的复杂性，可能需要使用高级优化算法如遗传算法、蚁群算法等。
GS算法在衍射光学器件设计中有以下几个优点：1. 高效性：GS算法通过对器件参数的优化设计，可以提高器件的衍射效率和性能。
相较于传统的手工设计方法，GS算法可以在较短的时间内找到较好的近似解。
2. 自动化：GS算法可以自动化地完成衍射光学器件的设计过程，减少设计者的人力投入。
设计者只需要设定优化目标和约束条件，算法可以自动搜索最优解。
3. 可扩展性：GS算法可以适用于不同种类的衍射光学器件设计。
无论是光栅、薄膜还是其他衍射器件，都可以通过调整算法的目标函数和约束条件进行优化设计。
光的衍射实验：光的衍射现象和衍射级数的研究
观察复杂衍射现象
02 光学现象
展现出更丰富的结构
03 干涉条纹
观察到更多环形结构
多缝衍射图样
复杂衍射现 象
展现出更多结构
光学现象
展现出更丰富的 特点
91%
干涉条纹
观察到更多环形 结构
多缝衍射实验的 应用
多缝衍射实验在光栅 制造和光学成像等领 域有着重要的应用， 通过观察衍射现象来 改进光学设备和光学 材料的制造工艺，提 高成像质量和分辨率。
光的衍射实验的挑战
技术难题
实验设备要求高
环境影响
外界光线干扰
91%
数据处理
数据分析复杂
光的衍射实验的展望
01 技术突破
新型设备研发
02 应用拓展
光通信、光计算等领域
03 跨学科合作
物理、工程等学科融合
结尾
通过对光的衍射实验的总结与展望，我们可以看 到光学领域在不断发展和完善，未来的光的衍射 实验将在更多领域展示其重要价值。
单缝衍射实验是光学 实验中最简单的衍射 实验之一。通过狭缝 的衍射效应，可以观 察到光的波动性质。 当光波通过一个狭缝 时，会发生弯曲和衍 射，产生一系列衍射 图样。这个实验可以 帮助我们理解光波的 传播和衍射现象的规 律。
单缝衍射图样
衍射环形结 构
形成原理
光的波动性 质
影响因素
干涉与衍射
衍射图样特点
杨氏双缝实验
波动性质展 示
通过实验观察到 光的波动性质
现象复杂性
观察到光的波动 在双缝实验中的
复杂表现
91%
经典案例
展示了双缝干涉 与衍射实验的经
典案例
双缝实验图样
双缝实验观察到的图 样通常包含干涉条纹 和衍射环形结构。这 些图样的出现是由于 光波在通过双缝后发 生干涉和衍射现象， 形成了复杂的光学图 案。
利用多层表面微结构提高DOE宽波段衍射效率
有 不 同材料 色散 特性 与相 位 高度 的单层 表 面微 结构 ， 增加 元件相 位 分布 函数 中的可 变 因子 ， 实现 波段
内 各 波 长 光 波 的 等 效 相 位 调 制 等 于 或 接 近 ２ｒ 整 数 倍 ， 双 层 衍 射 光 学 元 件 在 ０４ ０８Ｉ 可 见 光 波 ＂的 ｒ ．－ ． ｘ ｍ 段 的 理 论 衍 射 效 率 可 以达 到 ９ ％ 以上 。 利 用 双 层 衍 射 光 学 元 件 替 代 萤 石 透 镜 校 正 混 合 光 学 系统 的 二 ６
ｂａ ｄ．Ａ ｓ ｕｂ ｔ ｕ ｅ ｏ ｆｕ ｒｔ ｌｎ ， ａ ｄｏ ｂ ｅ—ａ ｅ ＤＯＥ ｉ ｕ ｅ ｉ ａ ｏ ｇ ｏ ａ —ｅ ｇｈ ｐ ｃ ｒ ｍ ａｉ ｎ ｓ ｓｉ ｔ ｆ ｒ ｌ ｏ ｅ ｅ ｓ ｕ ｌ ｌｙ ｒ ｔ ｉ ｓ ｓ ｄ ｎ ｌ ｎ ｆ ｃ ｌ ｌｎ ｔ ａ ｏ ｈ ｏ ｔｃ
２Ｓａ ｅ ａｏａｏ ｆＭｏ ｅ Ｏ ｔ ａ ｎｔ ｍｅ ｔ ｉｎ Ｚ ＠ ａｇ Ｕ ｉｅｓｙ Ｈａｇｈ ｕ ３ ０ ２ ， ｉａ ，ｔｔ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔｒ ｏ ｄ ｍ ｉ Ｉｓ ｕ ｎａ ｏ ， ｈ ｎ ｎｖｒｉ ， ｎ ｚｏ １０ ７ Ｃｈｎ ） ｅ ｙ ｐ ｃ ｌ ｒ ｔ ｔ
多焦点衍射光学元件
多焦点衍射光学元件1. 引言多焦点衍射光学元件是一种重要的光学元件，广泛应用于激光技术、成像系统以及通信领域等。
它具有多个焦点，可以同时聚焦多个点或者产生多个光斑，提供了更高的灵活性和功能性。
本文将介绍多焦点衍射光学元件的原理、设计和应用。
2. 原理多焦点衍射光学元件是基于衍射现象设计制造的。
当光通过一个孔径较小的物体或者结构时，会发生衍射现象，即光线会发生弯曲和散射。
通过合理设计物体或结构的形状和参数，可以实现多个焦点的产生。
多焦点衍射光学元件的原理可以简单描述如下：1.入射光线通过一个特殊形状的孔径或结构；2.入射光线在孔径或结构上发生衍射，在不同方向上形成不同角度和位置的次级波；3.这些次级波经过干涉叠加后，在不同位置上形成多个焦点。
根据不同的设计要求，可以实现不同数量和位置的焦点。
多焦点衍射光学元件的设计需要考虑入射波的波长、孔径或结构的形状和参数等因素。
3. 设计方法多焦点衍射光学元件的设计需要综合考虑多个因素，包括入射波的特性、所需焦点数量和位置等。
下面介绍几种常用的设计方法：3.1 衍射光栅衍射光栅是一种常见的多焦点衍射光学元件，它通过在平面或曲面上刻制周期性结构，使得入射光线在不同方向上发生衍射。
根据衍射光栅的参数和结构形状，可以控制产生的焦点数量和位置。
3.2 菲涅尔透镜阵列菲涅尔透镜阵列是由许多小型菲涅尔透镜组成的阵列结构。
每个小型菲涅尔透镜都可以聚焦入射光线，在不同位置上形成一个个小型焦点。
通过合理设计菲涅尔透镜阵列的参数和布局，可以实现多个焦点。
3.3 液晶光学元件液晶光学元件是一种基于液晶材料的可调控光学元件。
通过控制液晶层的电场或温度，可以改变液晶的折射率，从而改变入射光线的传播方向和聚焦效果。
利用这种特性，可以实现多焦点衍射光学元件。
4. 应用多焦点衍射光学元件在各个领域都有广泛的应用。
以下列举几个常见的应用案例：4.1 激光加工激光加工是多焦点衍射光学元件的重要应用之一。
衍射光学器件设计的gs算法基本原理和体会
衍射光学器件设计的gs算法基本原理和体会光学器件是应用于光学系统中的重要组成部分，其中衍射光学器件在光学系统中扮演着重要的角色。
本文将介绍衍射光学器件设计中的GS算法的基本原理和体会。
GS算法，即弗朗西斯-萨高尔（Francis-Segal）算法，是一种用于衍射光学器件设计的有效方法。
该算法基于线性代数和特征值问题的求解，能够高效地优化衍射光学器件的性能。
衍射光学器件设计中的GS算法主要用于计算光学系统的衍射效应。
光学系统中的衍射效应是指当光通过光学器件时，由于波传播受到物体边缘等因素的影响，导致光线出现弯曲、散射等现象。
衍射效应能够帮助我们理解光的传播规律，并应用于实际光学器件的设计中。
在GS算法中，我们首先需要确定光学器件的特定要求和指标，如所需的衍射效果、波长范围等。
然后，根据这些要求，我们可以通过计算电磁场的散射分布来确定衍射光学器件的最佳设计参数。
GS算法的基本原理是基于矩阵计算和特征值求解。
首先，我们将光的传播过程抽象为一个矩阵方程。
然后，通过求解这个矩阵方程的特征值和特征向量，可以得到光在光学器件中的传播规律。
根据特征值和特征向量，我们可以确定衍射光学器件的设计参数，并进行优化。
在实际应用中，使用GS算法进行衍射光学器件设计时，通常需要进行多次迭代优化。
通过不断调整设计参数，计算特征值和特征向量，我们可以逐步改善衍射光学器件的性能，达到所需的衍射效果。
使用GS算法进行衍射光学器件设计时，我们需要注意以下几点。
首先，要确保所选的矩阵方程能够准确描述光的传播过程。
其次，要选择合适的求解方法和数值计算算法，以保证计算结果的准确性和稳定性。
此外，还需要考虑到实际制造和应用过程中的工艺限制和成本因素，以便在理论模型和实际器件之间找到最佳折中方案。
在我个人的实践中，使用GS算法进行衍射光学器件设计是一种非常有效的方法。
它能够帮助我理解光的传播规律，优化光学器件的性能，并且在实际应用中取得了良好的效果。
多焦点衍射光学元件 -回复
多焦点衍射光学元件-回复多焦点衍射光学元件，是一种用于光学系统中的特殊元件，常用于分光光学、干涉仪、波前传感器等领域。
它可以实现多个焦点的同时成像，具有多焦点成像的优势，能够提高光学系统的分辨率和灵敏度。
多焦点衍射光学元件的工作原理是基于光的衍射现象。
光在通过多焦点衍射光学元件时，会被元件上的周期性结构衍射，并形成多个焦点。
不同焦点的形成是由元件上周期性结构的参数决定的，可以通过调整这些参数来控制焦点的位置和数量。
多焦点衍射光学元件的设计和制备是一个复杂而关键的过程。
首先，需要确定系统的需求，包括焦点数量、位置、大小等。
然后，根据需求选择合适的元件形状和周期性结构。
常见的多焦点衍射光学元件包括棱镜、光栅、薄膜等。
在制备多焦点衍射光学元件时，可以采用不同的制备方法，如光刻、离子束刻蚀、激光直写、电子束曝光等。
这些方法都可以实现高精度的结构制备，以满足多焦点成像的需求。
制备过程中，需要注意材料的选择和加工参数的控制，以保证元件的质量和性能。
使用多焦点衍射光学元件，可以实现多个焦点的同时成像。
这一特性在分光光学中应用广泛。
例如，在光谱分析中，常常需要同时获得不同波长的光谱信息，传统的方法需要多次测量，而使用多焦点衍射光学元件，则可以在一次测量中同时获取多个焦点的光谱信号，提高测量效率。
在干涉仪中，多焦点衍射光学元件可以用于调制参考光束和待测光束之间的相位差，从而实现干涉信号的调制。
通过调整元件的周期结构，可以控制干涉信号的构造，实现不同分辨率的干涉测量。
此外，多焦点衍射光学元件还可以应用于波前传感器中。
波前传感器用于测量光波在传播过程中的相位变化，用于衡量光学系统的畸变和像差。
通过使用多焦点衍射光学元件，可以增加相位测量的精度和范围。
总之，多焦点衍射光学元件是一种用于光学系统中的重要元件，可以实现多个焦点的同时成像。
它具有多焦点成像的优势，能够提高光学系统的分辨率和灵敏度。
在分光光学、干涉仪、波前传感器等领域有着广泛的应用前景。
含有双层衍射光学元件的红外双波段无热化光学系统的设计
段的复合带宽积分平均衍射效率分别为97.70%和96.95%。 关键词：光学设计；红外双波段；双层衍射光学元件；衍射效率
中图分类号：0439
文献标识码：A
文章编号：1001-8891(2019)08-0699-06
Athermal Design of Infrared Dual-band Optical System with Double-layer Diffractive Optical Elements
型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质，设计了一个含有双层衍射光学元件的工
作在3.7〜4.8 pm和7.7〜9.5 pm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为100 mm, F#为2,采用像 元数为640X512.间距为15)im的制冷型探测器。该系统在空间频率33 lp/mm时，中、长波红外MTF
分别高于0.52和0.16,最大RMS半径小于9.88ym，波前像差小于0.07052,最大离焦量小于焦深，
在一40°C〜71°C范围内实现了无热化设计。系统中采用的双层衍射光学元件在红外双波段的带宽积分
平均衍射效率高于99.15%。入射到衍射面上的角度为0。〜10。，该双层衍射光学元件在中波和长波波
引吉 °
的要求，红外双波段、三波段等多波段探测现已成为 研究领域的热点之一。为了防止环境温度变化对红外
随着红外光学系统在军事、国防等领域的不断发 展，单一波段的红外热成像系统已不能满足探测精度
光学系统的性能产生影响，通常要求其在一定的温度 范围内具有良好的成像质量。对于红外光学材料，其
收稿日期：2018-07-11；修订日期：2019-06-24. 作者简介：杨亮亮(1986-),女，讲师，博士，主要从事衍射光学和光学设计方面的研究。E-mail： yang_liangliang@。 基金项目：江苏省自然科学基金面上项目(BK20161316)；中国科学院大气光学重点实验室开放课题创希基金(2017-01)。
衍射光学元件的设计与应用
衍射光学元件的设计与应用一、衍射光学元件的设计原理衍射是光波遇到障碍物或经过光学元件时产生的一种波动现象。
当光波经过衍射光学元件时，会受到元件自身结构的限制而产生衍射现象。
衍射光学元件根据光波经过时的干涉、衍射效应，进行设计和制造，使得光波能够按照一定规律进行分散、聚焦、干涉等作用。
1.衍射光学元件的材料选择：衍射光学元件可以采用各种材料，如玻璃、晶体、金属等。
材料的选择要根据元件的具体应用需要，确保元件具备良好的光学性能和机械稳定性。
2.衍射光学元件的形状和尺寸设计：衍射光学元件的形状和尺寸设计是根据要实现的光学效应而确定的。
不同的衍射光学元件有不同的形状和尺寸要求，例如透镜、光栅、衍射光栅等。
3.衍射光学元件的表面制备和精密度要求：衍射光学元件的表面制备对光学性能具有重要影响。
表面的平整度、光学质量和反射率等都需要达到一定的要求，以提高元件的使用效果。
4.衍射光学元件的光学特性分析和性能测试：衍射光学元件的光学特性分析和性能测试是其设计的重要环节。
通过光学特性的测试和分析，确定元件是否满足设计要求，并根据需要进行优化调整。
二、衍射光学元件的应用1.激光技术中的应用：衍射光学元件在激光技术中有着广泛的应用。
例如，激光衍射光栅可以用来扩展激光光束的角度范围，提高光束的质量。
激光透镜可以用来聚焦光束，实现激光加工和激光切割等应用。
2.光纤通信中的应用：衍射光学元件在光纤通信中也扮演着重要角色。
例如，衍射光栅用于分光器和合波器，用来把光信号分离或合并，实现多路复用和解复用的功能。
此外，衍射光栅还可以用来制造光纤光栅，实现对光信号的调制和滤波。
3.光学显微镜等领域中的应用：衍射光学元件在光学显微镜等领域也有广泛的应用。
例如，相位衍射镜片可以用于细胞观测和生物成像，通过对光波相位的改变来提高图像的对比度和清晰度。
衍射光栅透镜可以用于显微镜的物镜，提高显微镜的分辨率。
总之，衍射光学元件在现代光学领域中的应用十分广泛。
光在多层材料中的干涉与衍射特性研究
光在多层材料中的干涉与衍射特性研究光是一种波动现象，当光传播到不同介质之间或者经过多层材料时，会出现干涉和衍射现象。
这些现象在科学研究和实际应用中都具有重要意义。
本文将从理论与实验两个方面探讨光在多层材料中的干涉与衍射特性。
首先，我们来探讨一下光在多层材料中的干涉特性。
干涉是指光波在不同路径上传播后相互叠加的现象，根据具体的光波干涉位置和干涉强度的变化可以得出材料的光学性质。
在多层材料中，当光波从一个介质传播到另一个介质时，会发生反射和折射，导致光波的路径发生变化。
根据菲涅尔公式和斯涅尔定律，可以计算出入射角、折射角、反射系数等参数，从而得到光在各层介质中的传播情况。
这些参数的变化对于光在多层介质中的干涉现象起着关键作用。
其次，我们来探讨一下光在多层材料中的衍射特性。
衍射是指当光波在遇到障碍物时发生弯曲和散射的现象。
在多层材料中，光波可以通过透射和散射产生衍射效应。
以光学薄膜为例，当光波从空气进入薄膜时，会发生多次反射和透射，形成许多次衍射。
这些衍射光波的干涉叠加会形成周期性的亮暗条纹，称为衍射条纹。
通过观察衍射条纹的形态和亮度可以得出薄膜的光学性质，如膜厚、折射率等。
在实验研究中，对光在多层材料中的干涉与衍射特性的研究进行了广泛的探索。
通过利用光学干涉仪器，如迈克尔逊干涉仪、薄膜干涉仪等，可以直接观察到干涉和衍射现象，并得到定量的结果。
此外，利用紫外-可见-红外光谱仪、拉曼光谱仪等仪器，可以对多层材料中光的衍射特性进行详细的分析和测量。
这些实验研究为深入理解多层材料中的干涉与衍射现象提供了定量的数据支持。
在实际应用中，光在多层材料中的干涉与衍射特性也具有重要意义。
利用干涉现象可以实现光的波长选择性传输和分光分析，用于光纤通信、光学传感和光谱学研究等领域。
例如，在光纤传输中，通过调整多层介质的结构和折射率可以实现不同波长的光信号的选择性传输，从而提高光纤传输的带宽和传输距离。
此外，在光学传感和光谱学研究中，光的干涉与衍射特性也常用于物质表面的形貌测量和化学成分分析。
多焦点衍射光学元件
多焦点衍射光学元件摘要：1.多焦点衍射光学元件的概念和原理2.多焦点衍射光学元件的种类和特点3.多焦点衍射光学元件的应用领域4.多焦点衍射光学元件的发展前景正文：一、多焦点衍射光学元件的概念和原理多焦点衍射光学元件是一种具有多个焦点的光学元件，其原理基于光的波动性和衍射现象。
当光线通过这种元件时，会在不同的位置形成多个焦点，这些焦点具有不同的强度和分布。
根据光的波动理论，光的传播可以看作是波前表面的传播，而多焦点衍射光学元件就是通过改变波前表面的形状来实现多个焦点的形成。
二、多焦点衍射光学元件的种类和特点根据不同的形状和结构，多焦点衍射光学元件可以分为多种类型，如平坦型、球面型、环型等。
这些元件具有以下共同特点：1.多个焦点：多焦点衍射光学元件可以形成两个或以上的焦点，这些焦点可以根据需要进行调整和控制。
2.灵活性：多焦点衍射光学元件可以根据实际应用需求进行设计和调整，具有较高的灵活性。
3.高效性：多焦点衍射光学元件具有较高的光能利用率，可以有效地提高光学系统的性能。
三、多焦点衍射光学元件的应用领域多焦点衍射光学元件在许多领域都有广泛的应用，如：1.投影显示：多焦点衍射光学元件可以用于投影仪和显示器，实现高分辨率和高对比度的图像显示。
2.光学传感：多焦点衍射光学元件可以用于光学传感器，提高传感器的灵敏度和分辨率。
3.光学成像：多焦点衍射光学元件可以用于成像系统，实现多个焦点的成像和拼接，提高成像质量。
4.光学通信：多焦点衍射光学元件可以用于光通信系统，实现多路光信号的传输和交汇。
四、多焦点衍射光学元件的发展前景随着科学技术的不断发展，多焦点衍射光学元件在各个领域的应用将越来越广泛。
同时，随着制作工艺和技术的进步，多焦点衍射光学元件的性能和质量也将得到进一步提升。
多层衍射光学元件成像特性的研究
多层衍射光学元件成像特性的研究
董辉;崔庆丰;裴雪丹;冷家开
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2009(38)3
【摘要】讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.
【总页数】5页(P694-698)
【关键词】衍射光学;多层衍射光学元件;衍射效率;光学设计
【作者】董辉;崔庆丰;裴雪丹;冷家开
【作者单位】长春理工大学光电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH74
【相关文献】
1.对衍射光学元件温度特性的研究 [J], 马锋;王多书;罗崇泰;陈焘;叶自煜;刘宏开;王济州
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4.振幅自由度对衍射光学元件成像的影响研究 [J], 孟妮妮; 钱晓凡; 刘滨; 李昕颖; 张亚萍
5.多层衍射光学元件设计原理与衍射效率的研究 [J], 裴雪丹;崔庆丰;冷家开;董辉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
衍射光学元件的效率研究
衍射光学元件的效率研究
邹凯;邓晓鹏;李慎
【期刊名称】《光学与光电技术》
【年(卷),期】2005(3)4
【摘要】衍射光学元件的衍射效率是其在设计和应用时需要重点考虑的因素。
用标量理论的方法分析可以得到较高的理论衍射效率。
然而,标量理论所作的假定限制了其在高频衍射结构中分析结果的精确性,制作上的局限也降低了实际可能的衍射效率。
讨论了标量分析的方法,并说明了怎样结合设计实际来实现对衍射效率的提高。
【总页数】4页(P46-49)
【关键词】衍射光学元件;衍射效率;编码;标量理论;高频衍射
【作者】邹凯;邓晓鹏;李慎
【作者单位】电子科技大学物理电子学院;怀化学院物理电子技术系
【正文语种】中文
【中图分类】TN201
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1.红外双层衍射光学元件衍射效率研究 [J], 王继凯;向阳;王培芳
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5.多层衍射光学元件设计原理与衍射效率的研究 [J], 裴雪丹;崔庆丰;冷家开;董辉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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衍射效率, 应使两个光栅之间的光程差之和为波长 的整数倍, 该原理可用下式表示
m=
=1 +2 =
- n1 - 1 d1 + n2 - 1 d2
( 8)
欲使多层衍射光学元件在可见光范围内的衍射
效率达到最大, 应使其在各个波段上都满足式( 8) ,
选取 F 光( 486. 132 7 nm ) 、d 光( 587. 561 8 nm ) 和 C 光( 656. 272 5 nm) 作为参考, 则有 mF = md = mC , 且
图 3 一般光学材料的折射率与阿贝数分布曲线 Fig. 3 Dist ribution of refractive index and A bbe number o f
o rdinary o ptical mater ials
与单层衍射光学元件的设计原理相同, 为了使
多层衍射光学元件在光束垂直入射时能获得最大的
第 38 卷第 5 期 2009 年 5 月
光子学报 ACT A PH OT ON ICA SINICA
V ol. 38 N o. 5 M ay 2009
多层衍射光学元件设计原理与衍射效率的研究*
裴雪丹, 崔庆丰, 冷家开, 董辉
( 长春理工大学 光电工程学院, 长春 130022)
摘 要: 叙述了多层衍射光学元件的设计原理. 通过对多层衍射光学元件结构、位相延迟表达式、材
* 国家自然科学 基金( 60878030) 和国 防科 工委 十一 五 基 础科研项目( B1020060365) 资助 T el: 029- 88204271 Email: peix uedan_2001@ 163. co m 收稿日期: 2008- 01- 15
到优化最大光栅高度后的新型多层衍射光学元件在 从 g 谱线( 435. 834 3 nm) 到 C 谱线( 656. 272 5 nm) 的可见光范围内的任何波长上的理论衍射效率均在 99% 以上, 带宽积分平均衍射效率为 99. 7% . 该结 果与以往报道过的多层衍射光学元件相比, 衍射效 率有了进一步的提高, 并利用该元件设计了长焦距 复消色差物镜.
112 7
式( 5) 表明, 当光束入射到单层衍射光学元件上 时, 所产生的光程差如果是波长的整数倍, 即可获得 最大的衍射效率.
选取任意一种材料, 计算其在设计波长处所对 应的最大光栅高度d= / ( n - 1) , 将d代入式( 4) 中, 就可以得到衍射效 率随波长的变 化趋势, 如图 1. 图 1 表示在可见光范围内, 光束从空气中垂直入 射到单层衍射光学元件上的衍射效率曲线. 由图可 知, 单层衍射光学元件的衍射效率只能在设计波长 处达到 100% , 波长偏离中心设计波长越远, 衍射效 率越低. 设计级次以外的光成为杂散光弥散在像面 上, 导致元件的像面衬度下降, 进而影响成像质量.
相同、相位高度不同的单层衍射光学元件相对同心
配置, 两片元件之间夹带空气, 并且相 隔微米级贴 合, 从而构成多层衍射结构. 其结构如图 2.
图 1 单层衍射光学元件的衍射效率 F ig. 1 D iffraction eff iciency of a sing le lay er DO E
2 多层衍射光学元件的分析
料选择匹配的研究, 使得优化最大光栅高度后的多层衍射光学元件能够实现大幅度提高宽光谱范
围内衍射效率的作用. 其衍射效率在从 g 谱线( 435. 834 3 nm) 到 C 谱线( 656. 272 5 nm ) 的可见光
范围内的任何波长上的理论衍射效率均在 99% 以上, 带宽积分平均衍射效率为 99. 7% , 能够满足
衍射效率随成像光谱宽度的增加而下降是制约 衍射光学技术应用的一个关键性问题. 不考虑衍射 效率的衍射光学设计是没有意义的. 衍射光学的表 面浮雕位相结构极大地提高了衍射光学元件的衍射 效率. 但是单层衍射光学元件只在设计中心波长处 衍射效率最高, 理论上衍射效率能达到 100% , 随着 波长相对于设计波长向两侧偏离, 衍射效率逐渐下 降. 除了设计级次以外, 其它衍射级次的衍射能量弥 散在主衍射级次像面上, 使像面衬度下降, 影响了系 统的成像质量. 因此, 在过去很长的一段时间内衍射 光学元件在成像光学系统中的应用仅限于成像光谱 范围不太宽或对分辨率要求不太高的系统.
图 4 d2 与 1 的关系 Fig. 4 Relation of d2 and 1
= - n1 - 1 d1 + n2 - 1 d2 ( 7)
式中, n1 与 n2 分别是第一片与第二片单层衍 射光学元件在波长为 时的 折射率; d1 、d2 分别为 二片衍射光学元件的光栅最大高度.
式( 7) 中括号前的符号, 应与各单层衍射光学元 件的凸凹形状相一致. 例如, 第一片单层衍射光学元 件是衍射型凹镜片, 因此符号是 - ; 而第二片单层 衍射光学元件是衍射型凸镜片, 因此符号是 + . 2. 3 多层衍射光学元件材料的选择
mF =
F= 1 F+ 2 F=
- n1 F - 1 d1 + n2 F - 1 d2 ( 9) F
md =
d = 1 d+ 2 d=
- n1 d - 1 d1 + n2 d - 1 d2 ( 10) d
mC =
C= 1 C+ 2 C=
- n1 C - 1 d1 + n2 C - 1 d2 ( 11) C
元件的合成衍射级次相当于单层衍射光学元件的一
级衍射. 从公式( 15) 中可 以看出, 第二 片材料选定 后, 第二片单层衍射光学元件的高度参量和第一片 单层衍射元件材料的阿贝数成一一对应的关系. 因 此只要确定了第二片单层衍射光学元件的光栅材料
和光栅高度, 就可以计算出第一片单层衍射光学元 件的光栅材料的阿贝数. 在本文的研究中, 选择工程 上常用的光学塑料 PM MA 作为第二片单层衍射光 学元件的光栅材料, 则有 n2 ( F ) = 1. 497 76、n2 ( d ) = 1. 491 76、n2 ( C ) = 1. 489 20、2 d = 57. 440 79. 将 以上数值代入公式( 15) 中, 得到第二片衍射光学元 件的光栅高度 d2 与第一片衍射光学元件的光栅材 料阿贝数 1 之间的关系, 如图 4.
1 单层衍射光学元件的衍射效率
通常把衍射光学元件 m 级次的衍射效率定义
为 m 级衍射光的能量 E m 与入射到衍射光学元件上 的总能量 E 0 之比, 即
m=
Em E0
( 1)
为了便于计算, 在衍射效率的讨论中, 忽略光栅表面
的反射损失, 看作是完全透射的光束.
在衍射周期内, 具有连续表面面形结构的衍射 光学元件的衍射效率表达式[ 11] 为
射场U2i , 即U1 t = U 2i . 则运用标量衍射理论, 可以得 到层叠后的衍射光学元件的总透过率函数为
图 2 多层衍射光学元件结构 F ig . 2 Pro file of a multi lay er DO E
当双层衍射光学元件处于空气中时, n = 1, 则从公式( 3) 可以得到光束垂直入射时多层衍射 光学元件所产生的位相延迟为
式中, mF、md 、mC 分别为多层衍射光学元件在 F 光、 d 光、C 光下的合成衍射级次, 其值可取任意常量.
将式( 9) ~ ( 1பைடு நூலகம்) 分别整理可得
n1
F = 1+
n2
F - 1 d2 - mF d1
F
( 12)
n1
d = 1+
n2
d - 1 d2- md d1
d
( 13)
n1
C = 1+ n2
将式( 3) 带入式( 2) 中, 得到通常使用的衍射光 学元件衍射效率的表达式为
m( ) = sin c2 m- d n - n
( 4)
欲使式( 2) 中衍 射效 率达到 100% , 只需 满足
m=
. 将式( 3) 代入 m= ( ) , 并整理得
n - n d= m
( 5)
5期
裴雪丹, 等: 多层衍射光学元件设计原理与衍射效率的研究
近年来很多研究人员开展了这方面的工作[ 5 9] , 国外的有关研究结果已经成功地应用于高端成像光 学系统[ 10] . 目前报道过的多层衍射光学元件的文献 中, 仅分析了其设计的基本原理, 对其材料选择匹配 方面的研究未见讨论, 且其衍射效率仍有进一步提 高的可能. 本文基于衍射光学元件的衍射效率表达 式, 研究了多层衍射光学元件的设计原理, 通过对其 结构、位相延迟表达式和材料的选择匹配的讨论, 得
C - 1 d2- mC d1
C
( 14)
将式( 12) ~ ( 14) 代入光学材料阿贝数的表达式
d=
ndnF-
1 nC
,
求
得
第
一片
单
层
衍射
光
学
元件
的
阿
贝
数为
1d =
n2
n2 d - 1 d2 - md d F - n2 C d2 - mF F + mC
( 15)
C
当取 mF= md= mC= 1 时, 此时多层衍射光学
高质量成像光学系统应用的需要, 并利用该元件设计了长焦距复消色差物镜.
关键词: 衍射光学; 多层衍射光学元件; 衍射效率; 光学设计; 折衍射混合光学系统
中图分类号: O436; T H 74
文献标识码: A
文章编号: 1004 4213( 2009) 05 1126 6
0 引言
衍射光学是近十几年来迅速发展, 并受到各国 相关专业的科学家与工程技术人员广泛重视的新兴 光学技术[ 1 4] . 将衍射光学的理论和技术应用于成像 光学系统, 能够使一些在传统方法范围内无法解决 的问题得以解决, 还可以提高成像光学系统的分辨 率, 减小系统的体积和重量、降低成本.