諧衍射光學(xué)設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用研究.pdf

1、普通衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)以及加工在紅外波段已經(jīng)十分成熟，利用其特殊的負(fù)色散以及負(fù)熱差特性可以有效地進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的消色差和無(wú)熱化設(shè)計(jì)，因此衍射光學(xué)元件以及折/衍射混合光學(xué)系統(tǒng)在現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。目前，光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展正向著增大數(shù)值孔徑、縮短入射波長(zhǎng)以及增加光譜寬度的目標(biāo)而前進(jìn)。但隨著數(shù)值孔徑的增加、波長(zhǎng)的縮短，普通衍射光學(xué)元件的加工工藝難度顯著增大，其最小加工線寬有時(shí)已經(jīng)超出了現(xiàn)在的微細(xì)加工能力，這也成為衍射光學(xué)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。

2、再加上普通衍射光學(xué)元件的等效阿貝數(shù)通常較小，其負(fù)色散絕對(duì)值較大；波長(zhǎng)偏離中心波長(zhǎng)時(shí)，其衍射效率下降嚴(yán)重，非設(shè)計(jì)級(jí)次衍射光形成雜散光，影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，這些也限制了衍射光學(xué)元件在寬光譜及多波段成像光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。 針對(duì)上述普通衍射光學(xué)元件本身的局限性，提出了應(yīng)用諧衍射來(lái)增大最小加工線寬，降低工藝難度，使得加工制作大數(shù)值孔徑、短波長(zhǎng)的混合光學(xué)系統(tǒng)成為可能；同時(shí)，諧衍射的應(yīng)用從理論上解決了普通衍射光學(xué)元件在寬光譜和多波段光學(xué)系統(tǒng)

3、中的大色散以及衍射效率下降問(wèn)題。通過(guò)理論設(shè)計(jì)與實(shí)際加工測(cè)試，在諧衍射光學(xué)元件的應(yīng)用特性等方面進(jìn)行了實(shí)踐探索。 本文首先對(duì)衍射光學(xué)基礎(chǔ)理論進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括標(biāo)量衍射模型、矢量衍射模型以及光線理論模型?；跇?biāo)量衍射模型，對(duì)具有諧衍射表面微結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件的物理特性進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)，并對(duì)二元光學(xué)多臺(tái)階近似對(duì)混合光學(xué)系統(tǒng)衍射效率帶來(lái)的影響做出了定量分析。諧衍射是一種一般化的衍射光學(xué)元件，它通過(guò)增加普通衍射元件表面微結(jié)構(gòu)的刻蝕深度，改

4、變其相位調(diào)制函數(shù)，使其在相鄰環(huán)帶的相位差等于2π的整數(shù)倍。利用諧衍射在多個(gè)分立諧波長(zhǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)100％的理論衍射效率，且不同諧波長(zhǎng)在不同衍射級(jí)次實(shí)現(xiàn)相同光焦度的特點(diǎn)，提出了在可見(jiàn)光寬波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)諧衍射消色差以及在光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用諧衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)多波段共路共焦的思想。進(jìn)一步分析了諧衍射應(yīng)用多個(gè)高級(jí)次衍射光對(duì)系統(tǒng)色散所帶來(lái)的影響，并對(duì)不同系統(tǒng)要求下如何選擇衍射級(jí)次進(jìn)行了說(shuō)明，對(duì)高衍射級(jí)次的系統(tǒng)成像質(zhì)量進(jìn)行了理論探討。 深入分析了諧衍射光學(xué)元件

5、各衍射級(jí)次的色散以及其衍射效率分布對(duì)各個(gè)波段的能量分配。對(duì)適合于可見(jiàn)光寬波段的單片諧衍射光學(xué)元件，以及適合于多波段共焦的諧衍射混合光學(xué)系統(tǒng)分別給出設(shè)計(jì)思路和詳細(xì)流程。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新有：為了替代數(shù)字波面干涉測(cè)試儀中的標(biāo)準(zhǔn)球面鏡組，設(shè)計(jì)并加工完成了一套折/諧衍射混合光學(xué)系統(tǒng)，該諧衍射系統(tǒng)簡(jiǎn)化了原鏡組的光學(xué)結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)測(cè)試具有小于λ/20的均方根波面測(cè)量精度，達(dá)到了系統(tǒng)要求。該研究對(duì)諧衍射混合光學(xué)系統(tǒng)在可見(jiàn)光波段的應(yīng)用可行性進(jìn)行了

6、驗(yàn)證。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)制作了光焦度為+6.0D，具有分段連續(xù)表面微結(jié)構(gòu)的諧衍射微光學(xué)眼鏡，進(jìn)行了表面輪廓測(cè)量和不同波長(zhǎng)下的光焦度測(cè)量，其測(cè)量數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)相符合。結(jié)合863課題“三波段混合光學(xué)系統(tǒng)研究”，設(shè)計(jì)制作了可見(jiàn)光、中波紅外、長(zhǎng)波紅外三波段十六臺(tái)階諧衍射混合光學(xué)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中利用諧衍射使用不同衍射級(jí)次的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了中波4.5um在+2級(jí)衍射和長(zhǎng)波9.0um在+1級(jí)衍射兩個(gè)紅外波段的諧振共焦，對(duì)其各個(gè)波段進(jìn)行了光學(xué)傳遞函數(shù)MT