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第八章 基于衍射型微光学器件的现代光学系统 §8.1 二元光学阵列发生器与阵列光学 一、阵列发生器及其分类 将入射光束分割成阵列微光束的光学器件称为阵列发生器(或阵列照明器、分束器)。 这种器件充分体现了光学处理的高速、并行性，可实现光功率分配、多通道互连及微图形传输等功能，在光计算、光通信及光电混合处理等领域有着广泛的应用价值。 近年来，由于衍射光学及微加工技术的发展，各种光学阵列器件应运而生，并形成了一门新兴的学科——“阵列光学”。 目前已有的阵列发生器大致可以分为四类： (1)成像平面阵列发生器，使用一种特殊器件（如菲涅耳透镜）使光斑点阵产生在成像面上； (2)菲涅耳平面阵列发生器，由特殊元件（如基于分数Talbot效应的相位光栅）的菲涅耳衍射产生点阵； (3)傅里叶变换型（或夫琅和费型）阵列发生器，由特殊元件（如Dammann光栅）的傅里叶变换或夫琅和费衍射产生点阵； (4)级联型阵列发生器，通过几个器件依次级联将入射光束逐次分束而形成大数目的点阵。 阵列发生器的主要件能参数： (1)分束比：输入光束分割成的数目。在一个高度并行的光学 处理器中，要求分束比尚达104或更大。 (2)压缩比：整个图形曲积与微光班面积之比。它体现了一个 阵列光束被分割的程度，通常依使用要求而定，其值一般从二到几百不等。 (3)非均匀性：阵列中各光斑光强之间的最大偏差。一般要求 在10％以内。 (4)衍射效率：阵列光斑上的能量占入射光能的比重。一般要 求高于50％。影响效率的因素有元件的吸收、杂散光或高级次衍射的损失。 (5)模式形状：各阵列光斑的形状。一般要求所有光斑有相同的模式，对于某些接收少量能量的器件(如低能量开关)，模式形状尤其重要，应当与其可接收模式相匹配。 (6)性能价格比：在满足性能要求的条件下，首先选择容易加工的器件。 二、成像平面阵列发生器 成像平面阵列发生器可以由多种方法构造。 一种简单有效的方法是用扩束光照明一透镜阵列(菲涅耳波带片或全息透镜)，使入射光束的不同部分直接由不同元件聚焦，现已实现接近衍射极限水平的微透镜阵列。 另一种类似的方法是用一个望远阵列将入射光束备部分压缩为一个个小面元。望远镜可以是牛顿型(伽利略型或内棱镜组成的Bremster型)。 第三种方法是相衬阵列照明器，点阵由一相位掩模产生，即通过相衬成像(空间滤波)使相位透过率函数转换为一点阵强度分布且理论上无能量损失。 第四种方法是基于波导来实现，光自波导表面的光栅耦合器阵列耦合输出以形成阵列光束，由于波导中的光强呈指数衰减，因此可能出现较严重的不均匀性。 采用纯相位元件而具有很高的衍射效率，而且产生的模式形状都类似于一衍射极限光束，透镜阵列产生艾利(Airy)焦斑； 望远阵列和相衬阵列产生分离平面波，波导方法则可通过设计适当的光栅耦合形式以实现行种模式。 就压缩比而言，透镜阵列和望远阵列可以很大，相衬阵列则限于16—81之间。 三、菲涅耳平面阵列发生器 第一种方法就是基于Talbot效应的阵列发生器。设计一相位光栅，使其在某个距离上的衍射光场为一亮斑阵列。分束比即光栅的周期数，可以很大(可实现100×100)，压缩比取决于光栅的相位阶次(可达到9以上)。与成像平面阵列发生器相比，入射光束本身的不均匀性影响减小。当选择几倍于Tablot距离的工作位置时，输入光在覆盖几个光栅周期内有光强均化作用。 另一种菲涅耳平面阵列发生方法则基于坐标变换。大多数的坐标变换光学系统都可作为阵列发生器，只需所有光能变换到阵列所要求的位置。 四、傅里叶平面阵列发生器 这种阵列发生器包括一个待殊的衍射元件（通常是一相位光栅）和一傅里叶变换装置。其模式形状与入射光束的外形无关。 早期的傅里叶平面阵列发生器是用于多重成像和点全息的针孔光栅，其能量利用率太低。 Dammann光栅是为产生数个等光强衍射光斑而设计的一种特殊二元相位光栅，因光刻制造方便而格外受重视。多种优化算法已被用来获取效率高、均匀性好且易于制作的光栅参数。 一般来说，分束比越大，均匀性就越难保证，因为要求透过率函数g(x，y)的设计和制造精度更高。 五、级联型阵列发生器 即利用某种阵列发生器的级联组合，以获得逐级放大的分束比。 §8.2 空间坐标调制型二值相位光栅（Dammann光栅型分束器） 在光纤通信、光计算、光盘存储、光电技术、图像处理及精密测量等现代科技的许多领域中，越来越多地要求能将信息（图像或数据）的输入变换成多个信息的输出。 光学分束器件或阵列器件的出现为实现上述要求，如多重成像、多通道读写、任意光互连及三维物体的阵列采样等提供了条件，并充分体现了光学的并行高速的处理特点。在设计制作这类器件方面，二元光学尤其显示出传统光学无法比拟的优势。 1971年达曼（Dammann）提出并设计的相位光