二元光学及其进展-华南师范大学学报.PDF

( 自然科学版) Journal of South China Normal University( atural Science) 1997(2) :89~ 95 1) 2) 1) 1) 马正先 陈丽 熊建文 周篪声 1) 华南师范大学物理系广州 510631; 2) 广东工业大学数理系 广州 510090 二元光学作为一门新兴的学科分 正受到人们的广泛关注, 本文主要介绍二元光学的基本原理 及二元光学元件的设计加工工艺过程,并总结了近十年来二元光学在理论设计、制作工艺和应用等方面 进展情况. 二元光学元件;光波前变换; 衍射效率;位相表面台阶 O436 0 研究产生和变换任意波面的新型光学技术和器件是现代国防与科技发展的需要. 在航天 观测、核聚变、激光加工及信息处理等领域中,提出了有许多特殊功能、能产生复杂波面要求的 器件.基于传统光学的折射器件仅能实现基本球面波或平面波的变换, 非球面波虽具有更多的 功能,但加工检测困难.基于衍射理论的全息技术尤其是计算全息为波面变换提供了一种灵活 的新方法,但因其衍射效率低而在许多实际应用中受到限制.近年来发展起来的二元光学则以 其独有的特色而优于迄今为止的任何折射和衍射光学器件.二元光学的概念源于八十年代中 期美国MIT 林肯实验室威尔得坎普(W B Vedkamp) 领导的研究小组在设计新型传感器系统 [ 1] 时率先提出的 ,现在光学有一 分 , 它几乎完全不同于传统的制作方式, 这就是衍射光 学,其光学元件表面带有浮雕结构; 由于使用了本来是制作集成电路的产生方法,所用的掩模 是二元的且掩模用二元编码形式进行分层, 故引出了二元光学的概念.至今二元光学的概念 还没有统一的定义, 一般认为二元光学是指基于光的衍射理论, 利用计算机辅助设计并用大 规模集成电路制作工艺在片基上( 或传统光学器件表面) 刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕 结构, 形成多位相、同轴再现且具有极高衍射 效率 的一类衍射光学元件 的光学理论与技 术.[ 1] 二元光学元件因其在实现光波前变换上所具有的许多卓越的、传统光学所不具备的功能 [ 2] [3] 而有利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化 , 因而被誉为90 年代的光学技术 . 二元光学作为光学的一 新兴分 将给传统光学设计理论及加工工艺带来一次革命. 1 当前绝大多数二元光学器件和系统的设计计算是在标量衍射理论的框架中进行的, 一般 情况下, 衍射的角谱理论能很好地解决二元光学所涉及到的问题. 考虑一沿正 z 方向传播的 收稿 日期: 1996- 11- 15 2 单色光 u ( x ,y , z ) = exp[ i (x+ y+ z)] 投射到 xy 平面上, xy 平面上有一衍射光学系 i 统, 设这一光学元件的透射函数为 t ( x , y) , 则紧靠衍射元件后的平面上的场可写成 u ( x ,y , o 0) = ui ( x, y , 0) t( x , y) 由傅里叶变换卷积定理,透射波角谱为 ) Uo (f x ,f y) = Ui (f x ,f y * T (f x ,f y ) , ( 1) 其中 Uo (f x ,f y) , Ui (f x ,f y