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亚波长光学元件光学特性的研究

李云芳  
【摘要】:亚波长光学元件是微光学元件之一,具有抗反射、偏振、滤波等光学特性,促进了光学仪器系统不断向微型化、集成化、低成本化方向发展。本文基于等效介质理论,研究亚波长光学元件的抗反射和偏振光学特性,并设计了亚波长抗反射光学元件和亚波长偏振光学元件,以及研究了闪耀二元亚波长衍射光学元件的斜入射和宽波段的衍射效率。 基于等效介质理论和薄膜理论,建立了亚波长抗反射光学元件的透射率与结构参数和入射角之间关系的数学模型,研究了其透射率与相关参数的关系。以实现带宽积分平均透射率最大化为目标,提出了一种亚波长抗反射光学元件的优化方法,并给出优化设计过程。以工作在宽波段(0.3μm~1.2μm)的亚波长光学元件为例,得到TE和TM偏振光带宽积分平均透射率分别为98.8802%和98.8805%,高于已有设计方法。 根据亚波长光学元件的形状双折射特性,研究并设计了亚波长波片和亚波长偏振分束器件。针对亚波长波片的光学特性,提出了采用高折射率材料作为基底,实现加工难度的降低,并结合镀膜工艺,提高了TE和TM偏振光的透射率,同时减小了透射率之间的差异。针对亚波长偏振分束器的偏振特性,研究其结构参数与入射角度和透射消光比之间关系,实现了在较大入射角度范围内,高透射消光比。 根据衍射光学理论和等效介质理论,设计了以高折射率材料为基底的闪耀二元亚波长衍射光学元件,实现亚波长衍射光学元件的2π相位延迟,同时降低了衍射光学元件的加工难度,并实现了在大入射角和宽波段范围的高衍射效率。


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