用于光束整形与超分辨成像的衍射光学元件的设计和实验

【摘要】：本论文的内容分为两个部分,第一部分为用于光束整形的衍射光学元件(DOE: Diffractive Optical Elements)的设计和实验,第二部分为用于超分辨成像的亚波长衍射光栅的相关理论分析。 第一部分的研究工作围绕衍射光学元件用于光束整形展开。衍射光学元件的应用非常广泛,在具体的工程应用中面临着不同的系统环境,我们的研究目的就是优化设计衍射光学元件使之适应不同系统,使光束整形效果能够满足一定的工程需要。由于所研制的光学元件的衍射子单元在几百或几十微米的量级,所以采用基于标量衍射理论的设计方法。其主要内容和成果如下:一、DOE表面反射对高功率激光系统的影响及其解决方案 在惯性约束核聚变系统(ICF: Inertial Confinement Fusion)中,强激光使用环境对光学元件提出了特殊的要求,在强光应用中,必须重视由DOE表面反射引起的强度调制问题,严重的强度调制将恶化激光束质量,甚至损坏光学元件。用菲涅尔衍射理论,我们模拟了320mm口径DOE反射光场的分布,由于反射场受到DOE的位相调制,会出现一些较大的光强极值点,这些点上的能量不容忽视。通常采用光学元件表面增透处理和小角度倾斜放置的方法来解决,但对于DOE的多台阶表面增透,目前还没有合适的工艺,所以我们采用小角度倾斜放置的方式来避免反射光直接照射到上一级元件。本文分析了DOE倾斜放置时位相的改变,对倾斜放置时焦斑的光场分布进行了计算模拟,发现焦斑的匀滑性会受到一定程度的破坏,中心会出现较强的亮点。为了验证模拟结果,我们对现有的70mm口径测试片进行了实验测试,结果表明的确会发生能量聚集在焦斑中心的情况,与模拟结果基本一致。随后,针对倾斜放置时DOE位相调制的改变,本文提出了位相补偿方法,即针对某倾斜角度引起的位相差,我们进行相应的位相补偿,使调整后的位相分布与非倾斜放置时的位相相同。位相补偿方法的模拟结果显示,倾斜放置后的光束整形效果与原先的设计结果保持一致,即在倾斜放置DOE的同时保证焦斑质量不变。二、双透镜系统光束整形元件的设计和实验 DOE用于光束整形的领域有很多,比如激光直写设备。在不同的系统中,DOE的前端环境会有不同,有时是单透镜,有时是透镜组,透镜组有其自身的优点,比如增加设计自由度,并且由于在传输中多考虑了一个采样面,使得采样输入输出窗口间的关系由元件距离来决定,从而很容易减小焦斑占输出窗口的比例,以达到更好的压制高级次衍射斑,减小能量的损失。 在双透镜系统中,光束的传输不是一个能够直接用傅立叶变换来表示的夫朗禾费衍射过程,而是可以分为两次菲涅尔衍射来描述,基于这个光束传输过程,本文将“输入输出算法”进行改进,使之适用于双透镜系统的设计,并给出了迭代流程。所设计出的DOE我们对它进行了工艺制作,并采取了不同的测试手段对其效果进行评估。首先用脉冲激光器作为光源用相纸来接受焦斑,采集结果显示出了明显的形状轮廓;为了更加精确地了解整形结果,我们用较弱的连续光源用CCD接收整形过后的焦斑,测试结果显示焦斑有很明锐的边缘,这很符合激光直写设备的技术需求;最后我们用能量仪对其衍射效率进行了测量,测量结果在70-80%,根据以往的DOE制作经验,这属于正常范围,并且它能够满足一定的工程需求。 第二部分的工作围绕亚波长金属光栅用于超分辨成像的研究展开。自从利用负折射材料来实现“完美透镜”这一设想被提出以来,相关的研究成为热门。其中,远场超透镜(FSL: Far-field Superlens)在实验上将分辨率提高到了几十纳米的水平,它的成像过程由两个重要部分组成:首先利用银质薄层的表面等离子体共振效应来增强隐失场,然后利用亚波长光栅将被增强的隐失场转化为传播场。在第二个过程中,设计合适的亚波长光栅使其满足负一级透过率远远大于0级透过率是一个关键问题。目前,FSL只在实验上实现了其一维成像,因为普通的亚波长光栅只在一个方向上展宽光场的频谱。如果能够设计合适的环形光栅使其衍射特性达到将隐失场转化为传播场的要求,那么FSL的二维成像或许更加具有可行性,本部分的研究动机就在于此。对于亚波长衍射光学元件我们需要用矢量衍射理论来进行分析,对于光栅这样具有周期结构的光学元件我们首先介绍了普通光栅的严格耦合波分析(RCWA: Rigorous Coupled Wave Analysis)方法,然后给出了环形光栅的在圆柱坐标下的RCWA,并且对环形光栅的衍射特性进行分析。分析结果表明环形光栅可以在一定入射角范围内满足FSL的要求。