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二元光学元件研究现状及发展趋势

时间:2017-02-08 21:52来源:毕业论文
在实现光波变换方面,二元光学元件有着许多传统光学难以具备的功能,且这种光学元件更有利于促进光学系统的微型化、阵列化和集成化。而基于折反射原理的传统光学元件,如透镜

在实现光波变换方面,二元光学元件有着许多传统光学难以具备的功能,且这种光学元件更有利于促进光学系统的微型化、阵列化和集成化。而基于折反射原理的传统光学元件,如透镜、棱镜等都是以机械的铣、磨、抛光等来制作的,不仅制造工艺复杂,而且元件尺寸大、重量大。在当前仪器向光机电算一体化发展的趋势中,它们已成为累赘,不再适应发展趋势。5602
二元光学之所以发展如此迅速,不仅仅是因为体积小、重量轻、容易复制等显而易见的优点,还因为其具有如下一些独特的功能和特点:(1)高衍射效率;(2)具有不同于普通光学元件的色散特性;(3)可以通过改变刻槽的宽度、深度和形状等因素来改变产生的波面,即设计自由度更多;(4)材料可选性较大;(5)具有特殊的光学功能,可产生一般传统光学元件所不能实现的光学波面[1]。
对于阵列发生器而言,它只需要一束激光作为光源就能产生等光强的光束阵列,或者是符合所需的一定的光强比例分布的阵列。一方面,其避免了使用半导体激光器面阵列所遇到的困难;另一方面,它实际上就是产生了一种特殊的波面。
设计理论方面,近几年随着制作工艺水平的发展和衍射元件应用领域的扩展,二元光学元件特征尺寸进一步缩小,其设计理论已逐渐从标量衍射理论向矢量衍射理论发展。
通常情况下,当二元光学元件的衍射特征尺寸大于光波波长时,可以采用标量衍射理论进行设计,设计出的光栅实验结果会与理论值符合得较好。主要的优化设计方法有:误差递减算法(GS)、梯度搜寻法、输入-输出法、模拟退火算法(SA)和遗传算法(GA)等。
对于基于标量衍射理论的研究,又可分为空间域和频域两种[2,3]。
空间域理论是根据光栅的结构,用函数描述表示出光栅对入射波的复振幅影响,从而得出衍射场的光场分布。针对不同衍射级,要求其光强都相等即可,从而可以进行优化设计得出光栅结构参数。
频域理论则是将光栅置于相干 系统中,写出所需衍射场点阵的频域函数。由于夫琅和费衍射的衍射场可以看作是衍射孔径的傅里叶变换,从而可以从衍射场求逆变换得出光栅的结构参数。
但当这一条件不能够满足时,光波的偏振性质和不同偏振光之间的相互作用对光的衍射结果起着重大作用,就须用矢量衍射理论及其设计方法。矢量衍射理论是基于电磁场理论,根据适当的边界条件严格地求解麦克斯韦方程组,得到衍射场分布。目前,已经发展几种有关的设计理论,如积分法、微分法、模态法和耦合波法[1]。
制作工艺方面,在VLSI加工技术、电子、离子刻蚀技术发展的推动下,二元光学制作工艺方面取得的进展集中表现在:从二值化相位元件向多阶相位元件、甚至连续分布相位元件发展;从掩模套刻技术向无掩模直写技术发展。直写技术的发展免除了掩膜的精确对准,提高了制作精度[1]。
在应用方面,阵列发生器广泛应用于光通信、光计算、光寻址、多重成像等领域。目前已经可以设计出 这样的大点阵光栅[4]并成功应用于光互连网络中,而对于激光束的叠加[5]的应用也正在研究中。
今后发展趋势
亚波长结构二元光学元件。这类元件的特征尺寸比波长还要小,其反射率、透射率、偏振特性和光谱特性等都显示出与常规二元光学元件截然不同的特征,因而具有许多独特的应用潜力。
二元光学的CAD软件包。随着通用设计工具的发展,二元光学元件有可能成为通用的标准光学元件,而得到广泛的应用,并与常规光学结合,形成一代崭新的光学系统。因此,很有必要开发出像传统光学设计软件那样的设计工具。 二元光学元件研究现状及发展趋势:http://www.lwfree.com/yanjiu/lunwen_2693.html
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