光学元件范文

光学元件范文（精选12篇）

光学元件 第1篇

关键词：Dammann光栅,制作工艺,光刻

1 Dammann光栅

空间坐标调制二相值相位光栅最早是由Dammann和果尔特勒(G?rtler)于1971年提出，利用特殊孔径函数的衍射光栅产生一维或二维的等光强阵列光束，其目的是想在光刻时能同时获得一个物体的多重成像以提高生产效率。这种光栅又被称为“Dammann光栅”。近年来，由于光计算研究的深入开展，Dammann光栅又被用于光互连、并行读取信息或作为逻辑阵列器件的光源等。

2 设计方法

在Dammann光栅的优化设计中，不仅要考虑各级衍射光强相等的情况，还要使衍射效率尽可能的高。根据二元光学元件衍射效率的普遍形式。

显然，k=1时，η=(sincπ/N) 2，这就是我们熟知的二元位相元件+1级的衍射效率公式。

当k=1士m N时

当K≠1士mN时η=0其中N=2n, m=0, 1, 2……

零级光的衍射效率是

η0=Cos2θ+(2q-1) 2Sin2θ

一级光的衍射效率是(-1级光的衍射效率相同)：

光栅条纹占空比为0.5，即q=a/T=1/2，则上述衍射效率的公式可以得到简化。则可以得到：

其中θ是凸台和凹槽之间的位相差角度的一半，凸台和凹槽之间的厚度差是：

其中θ的单位是度。

3 制作方法———光刻工艺

3.1 涂胶

涂胶是在玻璃表面上涂一层光刻胶，涂胶效果控制好坏直接影响光刻质量，因此在操作时应将光刻胶按要求准备好，并控制好光刻胶的涂层厚度及均匀性、涂层表面状态。涂胶的质量要求是：涂层厚度均匀一致，不能有厚有薄，不然在显影、刻蚀时会出现图形缺陷;涂层表面状态不能有条纹、针孔、突起等缺陷。

3.2 前烘

基片经涂覆光刻胶后，放在电热恒温器中给以60～120℃约5～15分钟的热烘。以加速胶膜内稀释剂的挥发，增加胶膜与基片表面的黏附力和胶膜的耐磨性。这样便允许光刻胶膜与掩膜版可以有一定的紧贴，从而保证图形的形状精确，并不易沾污掩膜版。

3.3 曝光

曝光是采用光刻机对涂有感光胶膜的基片进行对准和选样曝光，以形成所需图形的潜影。

曝光包括“定位”和“感光”。先把光刻掩膜版安装在支架上，开启紫外灯预热十分钟，再用镊子将涂敷光刻胶膜并经前烘的基片置于升降台上，把光刻掩膜版移到基片上面，使基片和掩膜版都在显微镜的视场与景深范围内;在x、y、θ三个方向移动光刻掩膜版，使掩膜版上的图形与基片的位置套和准确，用显微镜复查有否走动偏出，此时就算“定位”好了。把光刻机推至紫外灯下，开启快门即可“感光”。

3.4 显影

将曝光后的基片放入用于有机溶剂配置的显影液中，可去除未感光部分的感光胶而保留感光部分的感光胶，便显现出我们所需的图形，这就是显影。显影操作如下：在两只烧杯中各注入约60～80毫升的丁酮，然后将曝光过的基片用镊子夹住，置于一烧杯中，轻轻晃动丁酮(或基片)，以使感光的光刻胶溶解，经15～20秒钟后取出，再放在另一烧杯的丁酮中晃动约15～20秒，使残剩的未感光的光刻胶漂溶干净，再用去离子水漂洗，最后用显微镜检查图形是否清晰、正确。

3.5 坚膜

由于显影时光刻胶膜发生软化、膨胀，影响胶膜的抗蚀能力，因此显影后必须用适当温度烘焙玻璃以除去水分，增强胶膜与玻璃的粘附性，这个过程叫坚膜。通常可把显影后的基片放入150～200℃的烘箱中烘焙20～30分钟。坚膜时，温度太低或时间过短，胶膜就烘得不透，光刻胶膜与基片之间就紧贴得不够牢固，以致腐蚀时很可能发生浮胶现象。

3.6 刻蚀

刻蚀是把基片放在腐蚀液中，使裸露部分的玻璃被腐蚀掉，而覆盖着光刻胶受保护部分的玻璃不被腐蚀液侵蚀，于是，光刻胶膜上的元件几何图形就被完整、清晰、准确、精密的刻蚀在玻璃表面层上了，光刻的根本目的也就在于此。在腐蚀时，光刻的主要矛盾仍然是由光刻胶保护膜与基片表面的粘附是否良好所决定，曝光部分的感光胶膜能否在腐蚀液侵蚀下始终紧贴粘牢在硅片表面上保护玻璃不受腐蚀是腐蚀的基础。很显然，这一点与涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜都有密切的关联，或者说，除了光刻胶本身的耐蚀性以外，主要取决于前面这几道工序如何(在正常腐蚀条件下)。

3.7 去胶和清洗

去胶就是把刻蚀后玻璃上剩余的光刻胶去掉，清洗是冲洗干净玻璃表面的残胶、杂志等。去胶是在一定温度条件下，用去胶液冲洗并用滚刷擦洗玻璃以保证将玻璃上残胶去除净;清洗是用高纯水冲洗玻璃上残留去胶液同时冲洗残胶。

3.8 光刻质量要求

光刻工艺在光栅制造过程忠起着关键作用。光刻质量的好坏直接影响到产品的性能、成品率和可靠性。光刻质量要求：1)刻蚀的图形完整，尺寸精确，边缘整齐，线条陡直;2)图形内无小岛、针孔、毛刺等，刻蚀干净;3)刻蚀后的玻璃表面清洁，不发花，没有残留的被腐蚀物质、油渍等;4)图形定位准确，各类标记完整。

4 结论

光学元件 第2篇

基金项目：军械工程学院教学研究课题（jxlx12w41）

作者简介：李莉（1981-），女，河北大学光学专业，硕士学历，现为中国人民解放军军械工程学院讲师。

应用光学课程是光学专业人才培养方案中非常重要的一门专业基础课程，课程包含了工科院校光学专业学员所需必备的光学基础知识，为后续专业课程奠定理论基础和应用基础。如何充分发挥各种信息化教学方法手段上好《应用光学》课程是专业课程建设和学员能力培养的关键问题之一。随着信息技术的发展，信息化教学模式的优势越来越显著，各种信息化教学方法手段被广泛应用到教学中来[1]。因此要瞄准课程建设需要以及信息化教学改革的需要，将光学设计软件引入到教学中来，利用先进的光学设计软件进行教学实例以及仿真实验的建设，推动应用光学课程的信息化建设进程。

一、光学设计软件在应用光学课程教学中的应用意义

经过多年的《应用光学》课程教学实践，已经发现传统的教学手段，如黑板、粉笔、多媒体示意图等还存在很多不足[2]。比如，在理论教学时，大量复杂的光路图、光学系统结构图以及实用的光学元器件图等等都不同于一般的示意图，要求准确度很高，而且有时还涉及到空间光线，大大地增加了课堂讲授难度，同时也影响了教学效果。在针对光学系统成像过程的讲授时，传统的教学手段也不能给出实际的成像装置及成像过程，遇到复杂的光学系统时，更是不能定量地画出光路图，也不能给出其动态的成像过程。又比如，在实践教学时，为了能够进一步获得深层次的理性认识，必须在感性认识的基础之上，通过实践，培养出学员实验的逻辑思维方法和训练出解决实际问题的能力。然而，众所周知，光学实验的条件要求非常高，实验现象可以用弱、精、微来总结，在课堂上由于条件的限制很多将难以演示或呈现出便于观察、正确的结果。这些非常成熟，但又显露出相对落后的传统教学手段，造成了光学理论与实验在教学时间和空间上的不匹配，已经非常明显地影响了应用光学的教学效果，急需进行教学方法手段的改进。

我们利用先进的光学设计软件进行教学实例以及仿真实验的建设，凸出意义有以下三点。

1.利用专业的光学设计软件可以将课程中涉及到的光路、光学元件进而到光学系统，甚至实用化到光学仪器，以三维实体的方式精准地构建出来（这是光学设计软件的基本功能之一），这些构建实例相比于传统教学中使用的二维示意图，准确度大大提高，甚至上升到了光学量级，加上高度的形象化和精密的准确性可以确保虚拟仿真的效果并极大地增强教学效果。

2.随着教改的进行，新的专业人才培养方案中，加入了很多新的课程，也整合了很多原有课程，应用光学课程的学时进行了缩减，而要想在更为有限的课时中，加入并很好地开展各种实验，将比较困难。通过将光学设计软件与应用光学课程有机结合，以软件为平台，将各种抽象的或难以演示的光学实验模拟仿真出来后运用于课堂教学中，紧密结合抽象理论与直观实验，将很好地加深学员对理论知识的理解，提高学员对科学实验的认知，实现理论与实验实时结合的课堂一体化教学。

3. 光学设计软件作为光学领域专业的工程软件，在科研、生产工作中应用非常广泛，教员将它引入到教学建设中，同样也是引入到学员的学习过程中，也就意味着为学员提供了一个培养创新意识和锻炼工程能力的平台，可以实现所学应用光学知识在光学系统、光学仪器甚至光电仪器中的实际应用，使教学、科研充分衔接，适应工程实践需求[3]。

二、具体建设内容与应用实践

信息化条件下基于光学设计软件的应用光学课程建设可以从以下几个方面进行。

1.教学实例的计算机仿真建设，推进信息化教学方法手段的应用。()教学实例的计算机仿真建设由来已久，在原有的课程资源中，已经制作了比较多的简单多媒体应用，比如简单的示意图、静态照片图片，也包括一些Flash简单示意动画，这些还远远不够，利用专业的光学设计软件模拟出具有光学精度的交互式三维实体模型[4]取而代之以推进信息化教学方法手段的应用。例如，对于光学元件以及由光学元件组成的典型成像光学系统的建模及仿真分析，可以采用业内目前流通非常广泛的ZEMAX光学设计软件来完成；而光度学、色度学部分中涉及到的非成像、照明光学系统的建模分析可以采用以照明分析见长的TracePro软件来完成。

2.虚拟仿真光学实验建设，促进理论与实验课堂一体教学。众所周知，虚拟仿真实验是计算机仿真技术应用于实验教学而形成的一种现代实验教学手段，在很多理工科课程中均已有应用。其优点在于不受实验条件的限制，使得很多现实不易完成的实验均可借助虚拟技术实现。通过建设与课程内容匹配的几何光学、典型光学系统（如显微系统与望远系统的比较、两类望远系统的比较），甚至一部分物理光学的虚拟仿真实验（如理想光学系统与实际光学系统的.分辨率），可以有效地解决课时受限、实验条件受限的困境，使学员更好地掌握基本的光学理论知识的同时，加深对典型的光学系统的认识。

3.学员科研训练基地建设，课堂教学与工程实践并重。1989年麻省理工学院提出“回归工程”的新观念后得到了包括世界一流大学和一般大学的普遍认同，回归工程主要指将普通工科高校的一切工作回到以技术创新为中心的素质教育上来[5]。在人才培养方案中，应用光学属于专业基础课程，它与其他专业课相比，有着更广的内容，也与基础学科（如数学、物理）和相关学科（如仪器科学、测量科学）有着更为广泛的联系，更容易知识的综合与学科的交叉。因此，将光学设计软件引入到教学建设中来，就是引入到学员当前的学习、未来的工作中来，通过分解提取一些与应用光学课程内容有联系的科研创作。如像质良好放大镜的设计、简单望远镜的设计、相机取景器的设计等等，培养一些优秀学员，成为研究型教学的对象，做到课堂教学与工程实践并重。

在以上建设内容完成的前提之下，将建设成果合理地引入到应用光学课程的教学实践中来，才能体现出其价值，并带来效益，具体应用实践如下。

1.利用建设的教学实例进行理论教学。经专业光学设计软件模拟出的具有光学精度的三维实体模型实例可以应用于理论教学过程中，例如，在讲授光阑的选择这部分内容时，仅利用课本、示意图将很难讲解清楚，利用Zemax光学设计软件建立的望远系统实例，通过逐一选择不同的光学零件作为孔径光阑，学员们可以清楚地看到透镜数据栏中各个零件的口径大小（精确到0.001mm），也可以直观地通过三维图查看设计的望远系统外形，合理与否一目了然。这样的实例，可以加快、加深学员对相关知识的理解。

2.上机实践与课程的理论学习相结合。可以通过安排一定的上机时间，让学员直接进行软件操作学习，学以致用，真正体会“应用光学”应用性的所在，加上应用光学是光学设计的基础，通过初步掌握光学设计软件Zemax的使用方法，还可以使学员更多地了解有关光学设计的知识，促进学员向着更深的专业领域中去钻研。另外，双语教学虽然还没有开始开展，但是，也已经成为普遍的趋势，而Zemax恰是国外引进的专业软件，为全英文界面，所用术语均与专业领域相同，因此学员在利用该软件进行课程学习的同时，也是不断提高专业英语的过程，可以说采用光学设计软件与应用光学课程相结合的教学手段，加强实践环节的建设，不仅可以巩固和加深对应用光学基础理论的理解，而且通过必要的设计实践使学员掌握对光学系统进行初步设计的知识，逐步具备解决工程实际问题的能力。

3.总结成果形成实用的配套资料。将建设的教学实例以及上机实践科目整理总结，形成供教员教学以及学员学习的课程配套资料，并通过每年的讲授加以不断地完善，形成常态，永无止境地追求教学效果的提高。另一个原因，虽然目前光学设计软件Zemax所占有的市场份额较高，用户较广，但是有关Zemax的中英文对照教材还不多，国内独家代理公司虽然每年有培训班、培训资料，但对课程的针对性不强，这些不利于学员很快的入门，所以，将教员每年的教学经验积累起来，将相应建设内容汇集起来，形成完整、系统且实用又有针对性的教与学配套资料，并不断应用到实践中来，达到良性循环。

三、结束语

应用光学课程本身具备理论与实际相结合、应用性强的特点，在培养学员科学的思维方式，综合运用基础理论知识分析并解决实际光学仪器问题的能力，以及知识的梳理和扩展学习的能力方面作用重大。我们对该课程的建设进行了有益的探索与实践，并将继续努力加以完善。

参考文献：

[1]王寅龙，李前进，李志祥，王希武，林克成。信息化教学设计的过程、方法及评价要点探究[J]. 中国教育信息化，，（06）：15-18.

[2]张军，陈哲，钟金钢。ASAP软件在光学原理等课程教学中的应用[J].中国电力教育，，（130）：85-86.

[3]冷玉国，应用光学教育发展现状分析及研究[J].长春理工大学学报：高教版，，2（3）：91-93.

[4]岑兆丰，李晓彤，刘向东。浙江大学应用光学课程的发展和改革[J].光学技术，2007，（33）：268-271.

一种检测光学元件面形的新方法 第3篇

关键词： 面形检测； 数字刀口检测技术； 干涉检测技术； 投影检测技术

中图分类号： TN 247文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.004

引言随着光学技术的发展，光学元件的应用日益广泛，因此对光学元件的质量检测提出了更严格的要求。分析目前常用的检测光学元件面形的方法——数字刀口检测技术和干涉检测技术，并针对市场的需求提出一种基于结构光的三维检测方法，目前这种方法多用于检测高反射率的物体，因此将此方法运用于检测光学元件面形是一种新的尝试。基于结构光的三维检测方法对于周围的检测环境要求较低，可用于工厂实现光学元件面形的在线检测，具有广泛的社会需求和较好的发展前景。

数字刀口检测技术

1.1检测原理数字刀口检测法采用的是波像差基本原理，如图1所示。由于被检光学元件表面可看作是由无数个点集合而成的，所以若能够得到每个点的波相差就可以得到每个点的光程差，这是因为波像差为实际波面和理想波面之间的光程差，通过这样的方法就可得到被测光学元件表面的整个面形信息。刀口在会聚光束的交点附近步进式地沿某一方向动态切割弥散斑，获得连续的切割图像，通过计算机分析处理就可以获得光学元件表面的面型特征。但是当光学元件表面有较大疵病存在时，由于光线偏离会产生一个新的会聚交点，那么偏离光线产生的新会聚位置与理想光线会聚位置的夹角为，分别用一维式表示为

一种检测光学元件面形的新方法

1.2检测特点数字刀口检测技术的优点在于检验精度高，可达到λ/200；所需设备简单，不受被检光学元件口径大小的限制，可直接检验凹球面及凸球面；检测速度快，将阴影仪放置后用刀口切割，能快速发现镜面缺陷及其所在部位；非接触性检测无损伤，检测时刀口仪不需要与光学元件接触，不会划伤被检元件；加用辅助镜面后，就可以检验多种常用镜面，如平面、物镜、非球面、光学系统等。但是刀口步进式地沿某一方向动态切割弥散斑时，需要连续采集20～30幅图像，图像处理工作量较大；同时由实验可以看出在刀口检测中，光学元件中央部分检测结果较好，而靠近镜面边界误差较大，这是因为所记录的阴影图边界不清晰而使得检测结果误差较大。2干涉检测技术

2.1检测原理数字干涉检测技术是图像处理技术与计算机技术的结合并延伸，可用干涉仪中的干涉条纹分析空间位置上正弦分布的光强信息，可推导出波面的相位信息为

detection process and analysis method式中，I（x，y）为干涉条纹产生的呈正弦分布的光强，a（x，y）为亮条纹的光强， b（x，y）为背景光的强度，（x，y）为由干涉仪直接测得的波面相位分布函数。故已知干涉条纹的光强度分布，即可利用式（6）逆推计算波前的相位分布，但是因为a（x，y），b（x，y），（x，y）的未知性，还存在下列关系式cos=cos（-）（7）

cos=cos（+2π）（8）所以，需要采用一些特殊的方法来有效解决这些问题[2]。基于图像处理技术，且拥有定量分析功能的数字干涉仪通常划分为两类[35]，包括基于强度分析法的静态条纹判读干涉仪和基于相位分析法的相移干涉仪，其检测过程及分析方法如图3所示。强度分析法利用的是传统图像处理算法，对干涉条纹采用极值定位技术来求解相位分布；相位分析法则是主动改变了干涉条纹的相位，使条纹的强度分布表示为I（x，y，t）=a（x，y）+b（x，y）cos[（x，y）+2π（f0xx+f0yy）+v0t+a（t）]（9）式中，f0x，f0y分别为x和y方向上的初始空间频率，v0为初始的时间频率，a（t）为相位的偏移量。改变相位函数为求解波前相位分布提供了附加的条件，因此相移算法可以提供更高的检测精度。静态条纹判读干涉仪和相移干涉仪从结构上说，它们之间的区别主要在于是否在干涉仪的标准参考平面上加入了精密移动功能。一般强度分析法较为简单，设备投资较小，但精度稍低（一般为λ/10），通常用于光学加工的工序检验；而相移法具有高精度（可达到λ/100），但技术较为复杂，设备投资大，通常用于光学元件的最终成品检验。

2.2检测特点干涉检测技术的优点在于检验精度高，可以达到λ/70～λ/100；非接触性测量无损伤，在对元件进行检测的整个过程中，无需接触被检测元件的表面，不会对元件表面造成损伤。但是干涉仪相比其它检测装置来说成本较高；同时在检测时需要的理想标准参考面在实际的生产加工中是难以达到要求的，存在一定误差，这对检测结果的精度存在影响；此外干涉仪对检测环境有很高的要求，例如空气的流动，速度的变化，温度的高低，实验台的震动等一些轻微的变化都会影响实验结果的精确性。3投影检测法

3.1测量原理本文研究的是基于线结构光扫描测量（光切法）[67]和立体视觉测量（双目立体视觉法）[89]相结合的一种检测光学元件面形的测量方法。线结构光视觉法是基于光学三角法的测量原理（又称为光切法），如图4所示，其基本原理是利用结构光的自身特点来帮助实验获取真实被测物的三维信息，即一定模式的结构光投影被测物表面，相机采集受线结构光照射的物体光条图像，再利用几何光学成像原理从采集到的光条图像中得到物体表面的三维信息。双目立体视觉法采用的基本原理是两幅图像的立体视差，即用两个完全相同的相机拍摄被测物体，物体上同一三维空间坐标点在两个相机上成像形成两个二维平面成像点，这两个成像点在位置上存在差异，这就是立体视差，也就是立体视觉的方法，如图5所示。

3.2方案设计根据测量原理，设计投影法检测光学元件面形方案如图6所示。将两个CMOS相机平行放置，再将线激光器放置在两个相机中间并垂直平分两相机连线。线结构光垂直水平面投射被测物体表面产生三条亮度很高的细线，由左右两CMOS相机采集线结构光光条图像。将得到的视差图通过平面标定，图像处理，立体匹配及三维重建等算法就可实现对被测光学元件面形的三维还原，软件算法流程图如图7所示。

3.3数学模型采用文献[10]的标定法，标定程序的流程图，如图8所示。

3.4图像处理将采集得到的原始图像对进行中值滤波去除孤立图像噪声和直方图均衡化提高亮度，即可得到灰度均匀的分布在0～255之间的立体图像对，这样能较好地满足基于区域的立体匹配的要求。

表1给出了这两种检测方法的检测结果，波面最高波峰值与最低波谷值之间的差值即（PV）值和均方根（RMS）值。从三线投影法和ZYGO干涉仪的检测结果比较来看，由于检测的透镜较小，所以这两种方法检测出的单线与整面的PV值之间的差异都约为0.01 μm，RMS值之间的差异约为0.01 μm，对于一个口径较小的透镜来说，这样的结果是较为理想的，与ZGYO干涉仪检测结果的精度较为接近，这样就验证了结构光投影法检测光学元件的方法是可以满足通常的检测要求，具有一定的可行性。4结论基于结构光的三维检测方法是目前三维测量研究领域中的热点研究方向，也是测量光学元件面形的新方法。该方法在进行测量时不需要与待测物体相接触并且具有测量速度快、成本低等突出优点，最重要的是这种方法对于周围的检测环境要求很低，可用于工厂实现光学元件面形的在线检测，具有广泛的社会需求和较好的发展前景。

光学元件 第4篇

随着光学技术的发展,光学元件在紫外线和X射线光学、超高反射率光学以及半导体工业中有着越来越广泛的应用[1]。由于需求量与应用领域的扩大,对光学元件表面品质和性能的要求更高,制造光学元件的面形误差( 包括光学材料的不均匀性造成的误差和在光学加工过程的残余误差) 对光束的调制作用会严重影响光束品质[2]。

传统评价光学元件表面的面形精度主要用PV值、均方根以及粗糙度等简单的统计参数来描述,但这些参数仅仅只包含光学元件表面的高频波段和低频波段的面形误差,对于中频波段的面形误差却没有做出相应的评价。然而中频波段的面形误差对光学性能产生很大影响,高志山[3]研究了中频波段波面误差对光学系统象质的影响,得出了中频波段波面误差引起光能小角散射,严重降低光学系统成象分辨率的结论。特别是在高功率激光装置中,中频误差的位相扰动随着波面的传输,会使激光束强度分布出现调制,导致光束的非线性增益,最后将严重影响激光束的聚焦,因此中频波段面形的评价可以完善表面品质的评价体系,对光学元件的研发与生产具有重要的意义。正确评价中频波段面形误差的首要条件是能否真实提取中频面形误差,徐建程等[4]尝试利用Wigner分布函数评价光学元件中频误差,识别局部小尺度波前畸变的空间频率和空间位置,能够有效指导光学元件返修,但局部小尺度并不能完全表征整个光学元件表面中频段误差。郭隐彪等[5]基于经验模态分解有效识别中频误差特征及其方位,但采用经验模态分解时对于采集信号的要求相对较高。

1998年,受到傅里叶变换的启发,Kingsbury[6]首次提出双树复小波变换( DT - CWT) 。其滤波器应该要满足有限支撑、完全重构条件即正交或者双正交、近似的半帧移以及对称性等四个条件。双树复小波变换具有良好的局部化的分析能力以及良好的方向检索性能,已在图像去噪、图像纹理提取和图像加强等方面成功的应用[7,8,9]。由此说明双树复小波可以对复杂的信号进行特征信号分解以及提取。 文中提出利用DT - CWT进行多尺度分解,并首次运用均方根波长确定双树复小波分解次数后,最后进行中频误差的提取与识别。将此方法应用于精磨和镀膜的精密光学元件表面中,证实该方法不仅仅可以应用于一维信号的提取, 同样也适合三维表面中频波段面形误差的提取。

1DT - CWT分离光学元件表面中频误差的建模

1. 1中频误差分离数学建模

目前光学元件的面形误差信号由低频分量扰动的面形误差信号,中频分量波纹度面形误差信号以及高频分量粗糙度的面形误差信号构成。所以采集光学元件表面面形误差信号f( xi) 可建立以下数学模型:

式中: s( xi) 为低频分量面形误差信号,z( xi) 为中频分量面形误差信号,r( xi) 为高频分量面形误差信号。

采用传统一维的光学元件表面轮廓信号进行参数评定时,评定参数中均方根波长考虑了区域内所有单峰和单谷的相对幅度和各自空间频率的间距量度,是横向间距特性参数,其基本公式为:

式中: Sq为长度均方根偏差,Sdq为长度均方根斜率值,其Sq和Sdq离散的公式如下:

从式( 4) 可知,Sdq长度均方根斜率值与波前梯度均方根( GRMS) 相对等,然而波前梯度均方根是衡量波前低频相位畸变的重要标准,目前张颖等[10]推导出波前梯度均方根与焦斑尺寸存在定量的关系,间接反映均方根波长与光学特性密切相连。因此参考美国劳伦斯·利弗莫尔实验室在研制NIF过程中对空间波长的划分[11,12]对均方根波长进行面形误差的分组如表1。

1. 2双树复小波分解基本过程

对于任何采集光学元件表面信号f( xi) ,对其进行双树复小波变换中高频面形误差的提取基本流程如图1,具体步骤如下:

1) 将原始表面信号f( xi) 进行双树复小波的n层分解,得到最底层的低频系数dn( xi) 以及各层的高频系数cj( xi) ,j = 1,2,. . . ,n。

2) 对分解得到具有细节信号的高频系数cj( xi) 进行重构得到:

3) 接着将具有细节信号的高频系数cj( xi) 全部置零处理,并对低频系数进行信号的重构h2( xi) ,记作:

4) 将原始表面信号f ( xi) 减去低频分量面形误差s( xi) ,得到的信号进行均方根波长 λi计算,如果 λi< 33 mm重复上面的步骤,直到 λi≥33 mm结束循环。设定此循环次数为双树复小波的分解尺度,进行中高频面形误差的分离。中频面形误差为:

高频面形误差为:

2仿真和实验分析

2. 1抛光光学球面一维数据仿真分析

光学球面常采用子午线来确定光学元件的面形,因为子午线影响着光学的焦斑、像散以及屈光度等性能,现文中选择对球面子午线进行双树复小波各尺度分解,计算各尺度下的均方根波长如表2所示。

由表2可知,当分解层数至第4层时,λi≤33 mm,则确定双树复小波分解次数为4层。将前4层的低频信号进行重构得到中频面形误差以及高频信号进行重构得到高频面形误差,如图2所示。

由图可得出,经过抛光后光学元件表面的中频面形误差表面比较光滑,且波纹度具有一定的相似性,但在采样点1 300 ~ 1 400中存在较大的波动,因此需对后续抛光的工序进行一定修正; 高频面形误差分布呈现无规律的分布,但其幅度相对较为对称,说明该抛光加工工况( 抛光液、机床振动等) 较为良好。

以上说明了双树复小波可以很好的将抛光光学元件表面一维中频波段的面形误差与高频波段进行分离,并且可以进行缺陷识别与定位。

2. 2实测镀膜光学元件表面三维数据分析

目前大量的国内外文献对于中频误差的提取只进行一维的实验。为了充分体现双树复小波不仅仅能够运用于一维的提取,而且可推广到光学元件表面三维数据中频误差的提取,现采用实际镀氟化镁膜的光学玻璃样品作为中频面形误差提取的研究对象,通过原子力显微镜对其进行扫描,得到表面的三维图见图3。

运用双树复小波对其进行多尺度分解与均方根波长的计算，得到各尺度下的均方根波长如表 3 所示。

同理,确定双树复小波分解次数为4层,并将前4层的低频信号进行重构得到中频面形误差以及高频信号进行重构得到高频面形误差,如图4、图5和图6所示。

由图5可得出,经过镀膜后三维光学元件表面的中频面形误差表面不够规整,局部个别地方较为凹陷与凸出,间接反映镀膜基底存在一定的缺陷; 从图6高频面形误差三维图可看出其高频面形误差高度相互对称,反映了镀膜厚度较为均匀,说明该镀膜工艺较为良好。因此双树复小波可以较好分离镀膜的光学元件表面三维中高频面形误差。

3结论

通过以上理论分析以及实例运用得出以下结论:

1) 运用双树复小波进行数据多尺度分解,提出通过计算各尺度下的均方根波长来确定双树复小波分解尺度, 从而来提取光学元件表面的中频误差。

2) 运用双树复小波对抛光光学球面一维数据提取的中频面形误差效果较好,而且可以有效地识别加工工序存在的缺陷,为后续加工工序的改进提供优化的方向。

应用光学—读书报告 第5篇

本章主要讲的是颜色：

颜色的分类和特性：

颜色：不同波长可见光辐射作用于人的视觉器官后所产生的心里感受，颜色和波长的关系并不是完全固定的；光谱上除572nm（黄）、503nm(绿)和478nm(蓝)是不变的颜色外，其它颜色在光强增加时都略向红色或蓝色变化。色度学则是将主观的颜色感受和客观的物理刺激联系起来的科学

颜色形成的物理机制：光源色：自发光形成的颜色 物体色：自身不发光，凭借其它光源照明，通过反射或透射而形成的颜色 荧光色：物体受光照射激发所产生的荧光与反射或投射光共同形成的颜色

颜色的表观特征：明度：表示颜色明亮的程度对于光源色，明度值与发光体的光亮度有关 物体色，和物体的透射比或反射比有关 色调：区分不同彩色的特征 饱和度：颜色接近光谱色的程度，彩色的纯洁性；彩色具备以上3个特征 非彩色只有明度值差别、没有色调区分，饱和度为0 ；用一个三维纺锤体可将颜色的三个基本特征表示出来 颜色混合：

颜色混合: 两种或几种颜色相互混合，形成不同于原色的新色。色光混合：加混色，不同颜色光的直接混合

色料混合：色料是对光有强烈选择吸收的物质，在白光照明 下呈现一定的颜色。从白光中去除某些色光，又称减混色。格拉斯曼颜色混合定律：

H.Grassman于1953年总结出色光混合的基本定律

①人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度、色调和饱和度 ②两种颜色混合，如果一种颜色成分连续变化，混合色 的外貌也连续变化

补色律：每一种颜色都有相应补色

中间色律：两种非互补颜色混合，将产生两颜色的中间色，其色调决定于两颜色的比例 ③颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合种等效 ④混合色的总亮度等于组成混合色的各颜色光亮度的总和 颜色匹配：

颜色匹配不受背景颜色的影响，即颜色匹配遵守颜色匹配恒常定律。但应注意，眼受强光刺 激时，此定律也会失效。对于饱和度很高的颜色，例如某些光谱色，常常不能用红、绿、蓝三种颜色直接混合得到。为了匹配，需把某种颜色转加到被匹配颜色一方，然后用另二种颜色混合与降低了饱和度的颜色进行匹配。

结论： 红、绿、兰三种颜色以不同的量值（有的可能为负值）相混合，可以匹配任何颜色。红、绿、兰不是唯一的能匹配所有颜色的三种颜色。三种颜色，只要其中的每一种都不能用 其它两种混合产生出来，就可以用它们匹配所有的颜色。色度学中的几个概念：

颜色刺激：引起颜色知觉的可见辐射的辐通量

三原色： 能够匹配所有颜色的三种颜色，称做三原色。匹配实验表明，能够匹配所有颜色的三种颜色不是唯一的。

三刺激值： 匹配某种颜色所需的三原色的量称做该颜色的三刺激值。颜色方程中的R、G、B 就是三刺激值 三刺激值不是用物理单位，而是用色度学单位来度量。对于既定的三原色，每种颜色的三刺激值是唯一的，因而，可以用三刺激值来表示颜色。

光谱三刺激值或颜色匹配函数：用红、绿、兰三种颜色可以匹配所有颜色，对于各种波长的光谱色也不例外。匹配等能光谱色所需的三原色的量称做光谱三刺激值。对于不同波长的光谱色，其三刺激值显然为波长λ的函数，故也称之为颜色匹配函数。

色品坐标及色品图：三刺激值各自在三刺激值总量中所占的比例，叫做颜色的色品 色度学中常用的光度学概念：

光谱透射率——物体透过的光谱辐通量与入射光谱辐通量之比

光谱反射率因数——在限定的方向上、在指定的立体角范围内，所考虑物体反射的光谱辐通量与相同照明、相同方向、在相同立体角内由完全漫射反射体反射的光谱辐通量之比 光谱反射率——物体反射的光谱辐通量与入射光谱辐通量之比 CIE标准色度学系统：

国际照明委员会(CIE)规定的颜色测量原理、基本数据和计算方法，称做CIE标准色度学系统。CIE标准色度学的核心内容是用三刺激值及其派生参数来表示颜色任何一种颜色都可以用三原色的量，即三刺激值来表示选用不同的三原色，对同一颜色将有不同的三刺激值。CIE对三原色做了规定光谱三刺激值或颜色匹配函数是用三刺激值表示颜色的极为重要的数据。对于同一组三原色，正常颜色视觉不同入测得的光谱三刺激值数据很接近，但不完全相同。CIE取多人测得的光谱三刺激值的平均数据做为标准数据，并称之为标准色度观察者。CIE对三刺激值和色品坐标的计算方法作了规定。对于物体色，光源、照明和观察条件对颜色有一定影响。为了统一测量条件，CIE对光源、照明条件和观察条件也做了规定 CIE1931标准色度学系统：CIE1931标准色度学系统，是1931年在CIE第八次会议上提 出和推荐的。它包括1931CIE-RGB和1931 CIE-XYZ两个系统

1931 CIE－XYZ系统：1931 CIE－RGB系统可以用来标定颜色和进行色度计算。但是该系统的光谱三刺激值存在负值，这既不便于计算，也难以理解。因此CIE同时推荐了另一色度学系统，即1931 CIE－XYZ系统。1931 CIE－XYZ系统选用(X)、(Y)、(Z)、为三原色。用此三原色匹配等能光谱色，三刺激值均为正值。该系统的光谱三刺激值已经标准化，并定名为“CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“CIE1931标准色度观察者”。

基于变换光学的光学重叠效应 第6篇

基于变换光学理论，提出了一种新型的各向异性均匀的压缩变换介质。通过坐标变换，该压缩变换介质将一片选定的均匀各向同性的自由物理空间“压缩”至一个小的变换区域，并通过补偿介质（ε=μ=-1）来补偿除了压缩区域之外的那片自由空间，以保持空间场分布的连续性。当两个分离的点光源分别处于该压缩变换介质之中的时候，它们能够形成完美的光学重叠效应，即形成完美的光学相干效应。利用有效介质理论，可以进一步简化变换介质参数，获得各向同性均匀的压缩变换介质实现光学重叠效应。该研究在高能相干激光中具有潜在的应用。

关键词：

变换光学； 光学重叠； 有效介质理论

中图分类号： TN 2文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.007

Abstract：

In this paper，based on transformation optics，a new anisotropic and homogenous compressible transformation media is proposed.By using the coordinate transformation，such compressible transformation media can be able to compress the selected isotropic and homogenous free space into a small transformation regime.Meanwhile，the corresponding compensating medium（ε=μ=-1） is introduced into the selected free space（except for the transformation regime） in order to keep the continuity of the field distribution.When two separated point sources embedded in such a transformational media，all of them can overlap with each other，leading to the perfect optical interference effect.By using the effective medium theory，such transformational media can be further simplified，and an isotropic and homogenous compressible transformation media is obtained to realize the overlapped optics.Our investigation may have potential application in high power coherent laser beams.

Keywords： transformation optics； overlapped optics； effective medium theory

引言

近十几年来，超颖材料技术的发展，使得人们可以任意操控电磁波的振幅、偏振、相位以及传播路径等。该技术为人们探索新的物理机制，设计新的物理器件提供了一条崭新的途径。2006年Pendry等[1] 和 Leonhart[2]分别提出了一套精确调控电磁波的理论—变换光学理论。目前，变换光学为设计基于超颖材料的电磁波调控新器件提供了理论依据。利用变换光学方法并假设在虚拟弯曲空间中传播的电磁波是沿着弯曲路线传输，那么我们就可以构建实际物理空间和虚拟弯曲空间的一一对应关系。根据麦克斯韦方程的变换不变性，在实际物理空间中获得电磁波沿着弯曲路线传输所需要的变换介质，通过设置相应的变换介质实现电磁波的精确调控[3]。其中，隐身大衣作为变换光学的一个典型应用，在变换光学理论提出之初即引起了广泛的研究，包括圆形隐身大衣、方形隐身大衣、椭圆形隐身大衣和任意形状的隐身大衣[48]。此外，根据变换光学理论，人们还研究了波集中器、波旋转器、波连接器、波分束器以及人工电磁黑洞等[913]。

最近，赖耘等基于变换光学和负折射材料提出了空间折叠原理，并由此设计出基于补偿介质的外部隐身大衣[14]。与传统隐身大衣不同，该类型的隐身大衣可以实现被隐藏的物体看到外界的物体，而电磁波却探测不到被隐藏的物体。基于空间折叠原理，赖耘等又提出了幻觉变换介质，该介质可以实现将一个物体变换成另一个物体的光学幻觉效应（如将一个勺子变成一个杯子）[15]。同时，基于空间折叠原理，徐亚东等提出了基于补偿介质理论的光学重叠效应（即反镜像效应），形成两个形状不同的物体的相互重叠幻觉效应[16]。此外，我们已在此基础上实现了两个形状相同的物体的相互重叠幻觉效应，并实验验证光学完美相干效应[1718]。到目前为止，以上报道的所有光学重叠效应均基于各向异性均匀或者非均匀介质实现，导致材料参数和实验制备相当复杂。能否利用各向同性且均匀的变换介质获得光学重叠效应是目前的一大挑战。基于此，本文提出了另一类新型压缩变换介质并结合有效介质理论，实现了层状化的各向同性且均匀的变换介质并诱导产生光学重叠效应。

2结果及分析

通过COMSOL软件计算，可以得到自由空间和存在压缩幻觉介质时的磁场分布。图2（a）给出了频率为1 THz的TM波在45°斜入射情况下，自由空间和各向异性均匀幻觉介质（介质参数满足式（9）～（12））中的磁场分布。图2（b）给出相同频率的TM波在45°斜入射情况下，在自由空间中传播的磁场分布。由变换式（1）～（4）可知，自由空间Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ和 Ⅶ被压缩进变换区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ，所以变换区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ包含了自由空间Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ和 Ⅶ中的场分布（即图2（a）中区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ中的场等效于图2（b）中黑色实线区域中的场）。同样，变换区域Ⅲ、Ⅳ、V也包含了自由空间Ⅲ、Ⅳ、V和 Ⅶ中的场分布（即图2（a）中区域Ⅲ、V、Ⅵ中的场等效于图2（b）中黑色虚线区域中的场）。由此可知，自由空间Ⅶ被同时压缩进上下两个变换介质区。为了保证空间的连续性，必须在区域 Ⅶ中设置相应的补偿介质（介质参数如式（8）），这样，就能保证补偿介质区域Ⅶ中的磁场分布传播方向与外部自由空间上的磁场传播方向正交。

比较图2（a）和（b），可以发现电磁波在透过变换幻觉介质后，其场分布和自由空间上传播的电磁波完全一样。此外，由于自由空间Ⅶ被同时压缩进上下两个变换介质区，所以压缩区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ和压缩区域Ⅲ、V、Ⅵ必将有部分区域是相互重叠的，其重叠部分表现在自由空间如图2（b）中实线黑色区域和虚线黑色区域的交叠部分。根据这一特性，我们设计的幻觉变换介质可以实现光学重叠效应。

图3（a）为自由空间中分别处于（0，0.5 mm）和（0，-0.5 mm）的两个完全相同的点源的磁场分布（相应的振幅均为1 V，波长为0.33 mm）。从图3（a）的磁场分布可以看出，分离的两个完全相同的点源在自由空间上产生了相干效应（包括相长干涉和相消干涉）。图3（b）为嵌入在移动介质Ⅰ区域（0，0.5 mm）处和Ⅳ 区域（0，-0.5 mm）处的两个完全相同的点源的磁场分布（相应的振幅均为1 V，波长为0.33 mm）。而图3（c）为自由空间中处于（0，0）处振幅为2 V，波长为0.33 mm的单个点源的磁场分布。比较图3（b） 和图3（c）可以发现，两者在变换区域外的场分布完全一致。这表明图3（b）两个振幅均为1 V，波长为0.33 mm的分离的点源，在移动介质的作用下，全部移动至（0，0）处，并完全重叠在一起，等效于一个振幅为2 V，波长为0.33 mm的点源，实现了压缩变换介质的完美光学重叠效应。

由于很难找到各向异性均匀的介质实现以上所述的完美光学重叠效应，为此从实际应用角度出发进一步简化介质参数。根据第一部分的讨论，结合坐标变换和有效介质理论，将原先的各向异性均匀的介质变换成各向同性均匀的层状介质，以符合实际应用。图4（a）为各向同性均匀的层状变换压缩介质产生的光学重叠效应，嵌入在层状移动介质I区域（0，0.5 mm）处和Ⅳ 区域（0，-0.5 mm）处的两个完全相同的点源（振幅为1 V，波长为0.33 mm）的磁场分布等效于图4（b）中自由空间中处于（0，0）处振幅为2 V，波长为0.33 mm的单个点源的磁场分布。这表明，我们所设计的层状各向同性均匀的变换压缩介质同样可以实现完美光学重叠效应。

3结论

通过变换光学理论及基于坐标变换，我们设计了一类压缩变换介质。利用该压缩变换介质，我们实现了两个点光源的空间完美相干效应（相长相干）。通过将坐标变换和有效介质结合，实现了各向同性均匀的层状压缩变换介质。经COMSOL数值仿真，对压缩变换介质形成的光学完美相干效应/光学重叠效应进行了验证。

参考文献：

[1]PENDRY J B，SCHURIG D，SMITH D R.Controlling electromagnetic fields[J].Science，2006，312（5781）：17801782.

[2]LEONHART U.Optical conformal mapping[J].Science，2006，312（5781）：17771780.

[3]SCHURIG D，PENDRY J B，SMITH D R.Calculation of material properties and ray tracing in transformation media[J].Optics Express，2006，14（8）：97949804.

[4]IYSIC B，SIPUS Z，HRABAR S.Analysis of uniaxial multilayer cylinders used for invisible cloak realization[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（5）：15211527.

[5]JIANG W X，CUI T J，YU G X，et al.Arbitrarily ellipticalcylindrical invisible cloaking[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2008，41（8）：085504.

[6]LI C，YAO K，LI F.Twodimensional electromagnetic cloaks with nonconformal inner and outer boundaries[J].Optics Express，2008，16（23）：1936619374.

[7]LI W，GUAN J G，SUN Z G，et al.A near perfect invisibility cloak constructed with homogeneous materials[J].Optics Express，2009，17（26）：2341023416.

[8]HAN T C，QIU C W，TANG X H.The general twodimensional openclosed cloak with tunable inherent discontinuity and directional communication[J].Applied Physics Letters，2010，97（12）：124104.

[9]CHEN H Y，CHAN C T.Transformation media that rotate electromagnetic fields[J].Applied Physics Letters，2007，90（24）：241105.

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[11]RAHM M，CUMMER S A，SCHURIG D，et al.Optical design of reflectionless complex media by finite embedded coordinate transformations[J].Physical Review Letters，2008，100（6）：063903.

[12]ZHANG K，WU Q，MENG F Y，et al.Arbitrary waveguide connector based on embedded optical transformation[J].Optics Express，2010，18（16）：1727317279.

[13]CHEN H Y，MIAO R X，LI M.Transformation optics that mimics the system outside a Schwarzschild black hole[J].Optics Express，2010，18（14）：1518315188.

[14]LAI Y，CHEN H Y，ZHANG Z Q，et al.Complementary media invisibility cloak that cloaks objects at a distance outside the cloaking shell[J].Physical Review Letters，2009，102（9）：093901.

[15]LAI Y，NG J，CHEN H Y，et al.Illusion optics：the optical transformation of an object into another object[J].Physical Review Letters，2009，102（25）：253902.

[16]XU Y D，DU S W，GAO L，et al.Overlapped illusion optics：a perfect lens brings a brighter feature[J].New Journal Physics，2011，13（2）：023010.

[17]ZANG X F，JIANG C.Overlapped optics，illusion optics，and an external cloak based on shifting media[J].Journal of the Optical Society of America B，2011，28（8）：19942000.

[18]LI J J，ZANG X F，MAO J F，et al.Overlapped optics induced perfect coherent effects[J].Scientific Reports，2013，3：3569.

光学元件 第7篇

1 基本原理

1.1衍射光学元件设计理论

如图1 所示,在标量衍射理论中,浮雕表面的衍射光学元件的衍射效率表达式为[7]

其中,sin c(x) = sin(πx) πx ;m为衍射级次;ϕ(λ)为位相延迟。通常一级衍射最重要,因此尽可能使一级衍射的效率达到最大。由式(1)可知,当m和ϕ(λ) 都为1 时,衍射效率为100% 。这表明在标量近似下,衍射效率可以实现100% 。

在文献[8]中,给出了多层衍射光学元件微结构高度H1, H2的表达式如下

式(2)中,λ1,λ2是设计波长;n1(λ1)、n2(λ1)、n1(λ2)和n2(λ2)是基底材料在波长 λ1、λ2时的折射率。

参考文献[9],对于单层衍射光学元件,存在周期误差时,单层衍射光学元件的衍射效率表达式为

式(3)、式(4)中,T10、T1分别为理论设计和实际工作的周期宽度。单层衍射元件的周期宽度误差如图2所示。

1.2 空气间隙对其衍射效率的影响

图3是双层衍射元件的周期宽度误差。

由图3 可知,入射光在周期T10范围内,形成衍射光学元件形成杂散光,衍射光学元件有效工作周期是T1,周期T为衍射光学元件的理论设计周期。

根据几何关系和折射定律有下式

联立式(1)~式(5),得衍射光学元件形成杂散光的周期T10为

则衍射光学元件的有效工作周期T1为

参考文献[10],双层衍射光学元件衍射效率表达式为

双层衍射光学元件第二层的有效工作周期为理论设计周期,则

由式(10)、式(11)、式(12)可知,双层衍射光学元件空气隙间隔对衍射效率影响的表达式为

由于双层衍射光学元件之间的介质为空气,则n0为1。则双层衍射光学元件空气隙间隔对衍射效率影响的表达式为

式中,H1、H2分别表示双层衍射光学元件第一层、第二层的表面微结构高度;D表示双层衍射光学元件的空气隙间隔;T1、T2分别表示第一层、第二层衍射光学元件的有效工作周期宽度;T表示衍射光学元件的理论设计周期宽度;β表示双衍射光学元件第一层的倾斜因子。

2 实验结果

图4~图6 表示在不同周期下,衍射光学元件衍射效率和空气间隙的关系。图7表示衍射光学元件衍射效率和空气间隙、波长的关系。

3 分析与讨论

3.1 可见光波段(400~700 nm)

PC、PMMA为可见光波段双层衍射光学元件第一、第二层的基底。 H1、H2分别为13.180 6 μm、16.903 3 μm。

表1 为双层衍射光学元件,周期宽度为0 μm、40 μm、50 μm、100 μm和空气间隙为0 μm、10 μm、20 μm、30 μm与衍射效率的关系。

由表1 可知,在可见光波段(400~700 nm ),不同周期下,空气间隙大小对衍射效率的影响。当周期T=100 μm时,空气间隙由0 增大到30 μm,衍射效率由98.78%降低到97.74%,随着空气间隙的增大,对衍射效率降低不是很明显,在此空气间隙内,衍射效率整体偏高。当周期T=30 μm时,空气间隙由0 增加到30 μm,衍射效率由85.69% 降低到28.56%,空气间隙增大,对衍射效率降低明显,在此空气间隙内,衍射效率整体偏低。

3.2 红外中波(3~5 μm)

硫化锌(Zn S)和硒化锌(Zn Se)为双层衍射光学元件第一、第二层的基底。 H1、H2分别为486.0344 μm、427.311 2 μm。

表2为双层衍射光学元件,周期宽度为100 μm、200 μm、300 μm、500 μm和空气间隙为0 μm、10 μm、20μm、30 μm与衍射效率的关系。

由表2 可知,在红外中波(3~5 μm ),不同周期下,空气间隙大小对衍射效率的影响。当周期T=500 μm时,空气间隙由0增大到30 μm,衍射效率由52.60%降低到49.22%,随着空气间隙的增大,衍射效率降低。当周期T=30 μm时,空气间隙由0 增加到30 μm,衍射效率由3.170%降低到1.120%,空气间隙增大,衍射效率降低。在红外中波,周期T(100~500 μm)、空气间隙(0~30 μm)范围内,衍射效率整体偏低。衍射元件固有周期越小,整个空气间隙范围内,衍射元件的整体衍射效率越低。

3.3 红外长波(8~12 μm)

硫化锌(Zn S)和硒化锌(Zn Se)为双层衍射光学元件第一、第二层的基底。H1、H2分别为134.466 1 μm、121.777 7 μm。

表3为双层衍射光学元件,周期宽度为100 μm、200 μm、300 μm、400 μm和空气间隙为0 μm、10 μm、20 μm、30 μm与衍射效率的关系。

由表3可知,在红外中波(8~12 μm ),不同周期下,空气间隙大小对衍射效率的影响。当周期T=400 μm时,空气间隙由0 增大到30 μm,衍射效率由97.24%降低到95.75%,空气间隙增大,衍射效率降低。当周期T=100 μm时,空气间隙由0 增加到30 μm,衍射效率由27.81%降低到1.098%,空气间隙增大,衍射效率降低。在红外长波,周期T(100~400 μm)、空气间隙(0~30 μm)范围内,空气间隙固定,周期越大,衍射效率越高。

由图4~图6可知,衍射光学元件在可见光波段、红外中波、红外长波,衍射效率随着空气间隙的增大而降低;当空气间隙的大小固定,周期越大,衍射效率越高。当周期和空气间隙远远大于衍射光学元件的微结构高度时,空气间隙和周期的大小对衍射效率的影响就微乎其微。当空气间隙、周期和衍射元件微结构高度接近时,随着空气间隙的增大,衍射效率下降的比较明显。选择合适的周期,控制好多层衍射光学元件空气间隙的大小,对提高衍射光学元件的衍射效率有重要意义。由图7 可知,在同一波段范围内,空气间隙固定,波长对衍射效率的影响不大。

4 结论

光学元件 第8篇

高精度的光刻投影物镜具有较高的成像分辨力、较小的系统波像差和畸变,对光学元件的制造公差、 装配公差以及像差补偿能力等方面均提出了很高的要求[1]。光学元件的面形精度作为元件制造公差和装配公差的重要指标,需要保证重力、热载荷等工况下镜片的面形RMS值优于1~2 nm,同时要求支撑结构在冲击、振动、压力和温度等条件下能够保持精确的空间位置[2,3,4],因此对光学元件的支撑结构提出了很高的要求。

光学系统中常见的光学元件支撑主要采用刚性镜框支撑镜片,压圈直接压紧的方法,当温度变化时这种支撑方式会产生较大的热应力,并且直接压紧会导致镜片产生应力双折射现象[5,6,7,8,9]。因此很多学者提出了具有周向均布挠性部件的镜框结构,Vukobratovich[10]、Bacich[11]、Bruning[12]和Steele[13]等人研究了具有径向挠性的镜框结构,通过在镜框周向上加工出一体化的三处径向挠性支撑片实现镜片的支撑,然后采用低应力胶将镜框和镜片粘接[14,15,16],由于镜框整体上具有挠性,有效提高了镜片抵抗温度、冲击和振动的能力。 但是这些径向挠性的支撑结构由于采用的是三点支撑,镜片需要进行复杂的精修过程才能去除自重引入的三叶像差,并且该结构热载荷时也会产生一定的三叶像差。

基于此,本文提出了一种整体具有径向挠性的光学元件多点均匀支撑结构,由于采用了多点均匀支撑, 能够有效消除光学元件的低阶像差。然后对该多点均匀支撑结构进行了优化设计,最后分析了该多点均匀支撑结构在自重、热变形等工况下的面形变化情况。本文提出的光学元件多点均匀支撑结构的设计和分析方法,可为高精度光学元件支撑结构的设计提供借鉴和参考。

1多点均匀支撑结构模型

1.1多点均匀支撑结构模型

本文所用的光学元件为上凸下凹透镜,如图1所示,透镜直径160 mm,中心厚30 mm,凸面曲率半径127.47 mm,凹面曲率半径622.96 mm,透镜材料为熔石英。具有整体挠性的多点均匀支撑结构模型如图2所示,光学元件支撑结构采用了镜框和多点均匀一体化的结构形式,装调时将镜片安放在多点支撑块上,调心后然后通过低应力胶将支撑块与镜片连接成为一体。由于各支撑块径向上存在挠性,因此支撑结构组件整体上存在径向挠性,能够保证镜片因热载荷膨胀收缩时镜框能够顺应性地膨胀收缩,高精度的面形要求。同时镜框组件受冲击和振动时,保证支撑块在其弹性形变范围内顺应性变化,保持镜片初始位置。 镜片和镜框的材料分别为熔石英和殷钢,其具体的参数如表1所示。

1.2支撑块尺寸参数对自重引入的轴向变形量影响分析

光学元件多点均匀支撑时,透镜自重作用在各个支撑块上,由于各个支撑块具有一定的轴向柔度,支撑时支撑块会产生一定的轴向变形,因此即使各支撑块高度方向上存在一定的加工误差,透镜的自重也能相对均匀地作用在各个支撑块上,从而放宽了支撑块加工时的精度要求。但是当支撑块的轴向柔度过大时, 镜框装夹力、刀具进给力容易引起支撑块的轴向变形,给加工工艺造成难度。因此,综合考虑上述因素, 将目标定为镜框组件自重下各支撑块的轴向位移为10 μm,优化的尺寸参数主要为支撑块径向厚度t、支撑块轴向高度h和支撑块间夹角 θ,支撑块的尺寸参数示意图如图3所示,其中t=t1=t2。

图4为支撑块径向厚度t分别取0.2~0.9 mm时,支撑块支撑处的轴向变形量情况,由图可知轴向变形随着支撑块径向厚度的增大而减小,两者近似成负指数函数关系;图5为支撑块轴向高度h分别取3~10 mm时,支撑块支撑处的轴向变形量情况,由图可知轴向变形量与支撑块轴向高度成正比;图6为支撑块间夹角 θ 分别取2°~ 6°时,支撑块支撑处的轴向变形量情况,由图可知轴向变形随着支撑块夹角的增大而减小。

1.3支撑块尺寸参数对热载荷引入的面形影响分析

热载荷作用在光学元件上会引起其热变形,变形过程中与支撑结构相互作用产生热应力,会对透镜光学表面的面形产生影响,设计时通过合理优化支撑块的尺寸保证镜框一定的径向柔性以保证镜框能够随着镜片顺应性地伸缩,从而减低热应力对镜片面形的影响。因此,将目标定义为光学元件热载荷下的面形数值,优化参数为支撑块径向厚度t、支撑块轴向高度h。结合光刻物镜的实际工作情况并考虑足够的安全系数,施加的边界条件为透镜上、下表面吸收的热量均为50 m W,与外界的对流换热系数为8 W/(m2k)。

表2为当支撑块轴向高度h固定为8.6 mm,支撑块径向厚度t取值分别为0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm时镜片上表面面形的影响,以及当固定支撑块径向厚度t为0.4 mm时,支撑块轴向高度h取值分别为7 mm、 7.8 mm、8.6 mm时对镜片上表面面形的影响,由结果可知此时镜片面形值随着支撑块径向厚度t的增大而增大,随着支撑块轴向高度h的增大而减小。

综合考虑支撑块尺寸参数对自重引入的轴向变形量影响以及对热载荷引入的面形影响,得到优化后一组支撑块尺寸为支撑块径向厚度t为0.4 mm,支撑块轴向高度h为8.6 mm,支撑块间夹角 θ 为3°,此时支撑块支撑处自重引入的轴向位移量为10 μm,热载荷引入的上表面面形RMS为0.409 nm。

2多点均匀支撑结构的面形分析

本文提出的光学元件多点均匀支撑结构,光学元件安放在整体支撑块上,因此需要分析在此支撑条件下光学元件自重引起的面形变化。同时,光刻投影物镜工作时需要高能激光长时间照射,会导致因热载荷而发生透镜面形变化,也需要对透镜的热变形进行分析。

2.1透镜自重引起的面形分析

在NX NASTRAN环境下,对光学元件的实际支撑情况进行了模拟,将各支撑块底部与镜片下表面接触处进行面面粘接,施加载荷为镜框组件自身的重力,约束条件为镜框的下基准面完全固定,求解得到镜框组件的变形云图如图7所示。

利用光机接口软件SIGFIT将NASTRAN求解得到的上下表面变形数据导出成ZERNIKE格式的形式,然后将面形ZERNIKE系数带入面形检测软件METROPRO中得到光学元件上下表面的面形测试图分别如图8和图9所示,其中去除power项的镜片上表面面形PV值为2.095 nm, RMS值为0.429 nm,去除power项的镜片下表面面形PV值为1.574 nm,RMS值为0.294 nm。

2.2透镜热载荷引起的面形分析

光刻投影物镜工作时,镜片对入射激光的吸收导致自身温度升高产生热变形,透镜变形过程中与支撑结构相互作用产生热应力,因此会对透镜光学表面的面形产生影响。结合光刻物镜的实际工作情况并考虑足够的安全系数,选取透镜上、下表面吸收的热量均为50 m W,同时考虑光刻物镜外部的水冷装置,将支撑结构与外界的对流换热系数设为8 W/(m2k),初始温度为22℃,在NX THERMAL/FLOW环境下得到透镜的温度分布如图10所示,其中透镜的温度梯度为0.42℃,透镜温度分布沿中心到四周递减。将透镜和支撑结构的温度分布结果导入NX NASTRAN环境下,并将镜框的底部完全约束,得到由于温度不同引起的镜框组件变形图如图11所示。

将透镜上下表面变形前后的数据进行分析整理,得到去除power项的镜片上表面面形PV值为1.584nm,RMS值为0.409 nm,同理得到去除power项的镜片下表面面形PV值为1.329 nm,RMS值为0.063 nm。 图12为热载荷引起的镜片上表面变形图。

3结论

光学元件 第9篇

1 实验

1.1 DCG全息图制作流程

DCG全息图的制作过程列在表1中。相关的数据如下:明胶厚度=15μm;记录波长=514 nm;记录的能量密度=150 m J/cm2;全息面积=25 cm2, 室温=25℃;实验室湿度=30%。实验中使用的全息元件都是采用表1中的程序制作而成。

1.2 温度实验

准备九件按照1.1节中制作出来的全息元件用于温度实验, 其中四件用于高温实验, 三件用于破坏温度实验, 另外二件用于低温实验。实验是通过将DCG全息图放入温度和湿度稳定在设计值的烘箱中进行烘烤而完成的, 在整个实验过程中烘箱内相对湿度保持在50%RH。使用室温下的分光光度计对实验元件的峰值波长进行了测试。

1.2.1 高温实验

为了研究高温下DCG全息图的波长特性, 每隔25 h对全息元件的峰值波长进行测试。测试结果展示在表2中, 峰值波长与烘烤时间的曲线图展示在图1中。

在表2中可以看到, 经过100 h的烘烤处理后, 50℃、70℃、80℃和85℃烘烤的DCG全息分别发生了0.8 nm、7.3 nm、10.1 nm和14.9 nm的蓝移。另外表2中可以看出, 高温下的全息元件在初始阶段蓝移速率很大, 随着时间的增长而快速变小, 最终峰值波长趋于稳定。DCG全息元件的蓝移速率正比于实验温度 (温度越高, 峰值波长的蓝移速率越快) 。实际上, 如果考虑到测量误差 (0.5 nm) 的话, 全息元件在50℃下进行烘烤, 并不影响其峰值波长。

1.2.2 破坏温度

使用三个全息元件进行破坏温度实验, 目的在于探索DCG全息元件能够承受的极限工作温度。在本次研究中, 三个全息元件分别在100℃、130℃和150℃下烘烤。图1是在极端温度下烘烤的实验结果。从实验结果可以看出来, 100℃以上的高温会破坏DCG全息图。100℃下烘烤13 h能使得全息的边缘出现彩虹现象[图1 (b) ], 130℃下烘烤8 h使得全息图案消失[图1 (c) ], 150℃下烘烤3 h使得明胶变成不透明的白色[图1 (d) ]。图1中的实验结果图片都是在黑色背景下拍照而成, 这可以在图1 (c) 中清楚的看到。

1.2.3 低温实验

将两个全息元件放在烘箱中烘烤100 h, 烘箱中的温度分别被调到-40℃和-60℃。这些光学元件的光学性能并没有发生变化。

1.3 湿度实验

湿度实验是通过将全息实验件浸入室温下的纯水中进行的, 浸泡时间为20 h。将实验件取出并干燥后, 测量显示全息件没有任何变化。将全息实验件放入温度和湿度分别设定为25℃和98%RH的烘箱中也能得到同样的结果。

2 分析和讨论

首先, 使用玻璃板进行封装能够很好地防止环境中的水分进入DCG全息内部。

第二, 通过表1中的制作工艺制作而成的DCG全息元件可以在50℃下稳定使用, 其波长特性并不会出现任何变化。DCG全息图的安全使用温度不超过100℃, 否则全息会遭到破坏。

第三, DCG全息元件的峰值波长在70~85℃的温度范围内并不稳定。这个温度范围也是最感兴趣的, 能够使得全息的峰值波长发生几个纳米的蓝移。而且从表2中可以看到, DCG全息图峰值波长的蓝移速率在最开始的几个小时内很大, 而最终峰值波长趋于稳定。比如在85℃下, DCG全息 (第四号) 的峰值波长在第一个25 h内发生10.9 nm的蓝移, 在以后的75 h内只蓝移4 nm。在第一个25 h内的蓝移速率比接下来的75 h内的蓝移速率的8倍还大。换句话说, 在表1中的封装环节后对DCG全息进行烘烤, 可以提高其峰值波长的稳定性。根据这个实验结果, 提出一种改善封装DCG全息稳定性的方法。这个方法就是把全息制作工艺的波长调控步骤分为两部分 (封装前和封装后) , 具体步骤是:在封装前烘烤全息干板直至全息的峰值波长达到设计值[比如 (554±1) nm], 一般设计值比使用波长值大10 nm左右, 对其进行封装后在适当的温度 (比如85℃) 下进行烘烤, 直至其峰值波长达到使用要求[ (544±1) nm]。通过这种方法制作的DCG全息峰值波长的蓝移速率会比本文中描述的小很多, 峰值波长在70~85℃温度范围内会更加稳定。

3 结论

对封装后的DCG全息图在不同的温湿度条件下的波长特性做了一系列实验。实验表明: (1) 高湿度环境不会对封装DCG全息图造成影响; (2) 低于50℃的温度环境不会对全息图造成影响; (3) 封装DCG全息图在70~85℃的温度环境下会发生峰值波长蓝移, 蓝移速率与环境温度才成正比; (4) 环境温度高于100℃会对封装DCG全息图造成破坏, 使得全息图颜色不均匀, 甚至消像或者变性。本文还对上述实验结果进行了讨论和分析, 并根据实验结果和工艺经验提出提高全息图波长稳定性的措施:在适当的温度下对封装后的全息图进行烘烤。使用这种方法可以延长DCG全息制作的全息光学元件的使用寿命, 相应的可以延长使用全息光学元件的光学系统的使用寿命。

参考文献

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[2] Chang B J.Dichromated gelatin for fabrication of holographic optical elements.Applied Optics, 1979;18 (14) :2407—2417

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[4] Changkakoti R, Pappu S V.Methylene blue sensitized dichromated gelatin holograms:a study of their storage life and reprocessibility.Applied Optics, 1989;28 (2) :340—344

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[8] Naik G M, Mathur A, Pappu S V.Dichromated gelatin holograms:an investigation of their environmental stability.Applied Optics, 1990;29 (35) :5292—5297

光学元件 第10篇

全系列现场仪表专家Endress + Hauser,日前推出了WA光学分析仪系列产品。

该系列传感器采用光度测量原理。其中,OUSTF10散射光浊度传感器用于测量非溶解性固体、乳液和过程液体中的混溶性流体。OUSAF11可见光( VIS) /近红外光( NIR) 吸收传感器,主要用于测量悬浮固体和乳水界面。OUSAF12传感器用于测量液体介质的可见光( VIS) /近红外光( NIR) 吸光度,常用于制药、化工和造纸行业。OUSAF22传感器用于电磁光谱范围内的可见光区域中的色度测量,可用于脱色控制、金属检测中的离心分离和食用油叶绿素测量。OUSAF44传感器用于测量紫外( UV) 光谱区间内过程液体的吸光度,用于蛋白质浓度监测、层析控制、超滤控制和有机化合物浓度测量。OUSBT66近红外光( NIR) 吸收传感器、卫生型传感器用于细胞生长和生物质量测量,包括细菌发酵、哺乳动物细胞培育及藻类浓度结晶控制监测等。该系列产品可以配套E + H OUA260流通支架和CVM40变送器使用。

挑战光学极限 第11篇

阿秒激光是指激光的持续时间只有阿秒的数量级，因此就可以通过阿秒脉冲控制阿秒时间尺度的物理过程和化学反应。由于阿秒技术的重要性如同第一台激光器被制造一样，能够在一个层次上提高人们对现有科学的认识，因此，其必将给物理、化学领域带来一场革命。

并且，阿秒激光在一定程度上标志着一个国家的尖端科技，因此当今世界上无论欧洲，美国还是日本都有优秀的研究所和大学在探索——研究阿秒激光。中国自然也不例外，中国科学院物理研究所光物理重点实验室就有这样一个团队，他们在超短激光脉冲研究方面具有很强的实力和研究基础，赵昆就是他们当中的一员。

赵昆，中国科学院物理研究所光物理重点实验室副研究员，科研工作主要涉及阿秒光学、强激光场电离、超快动力学、高强度飞秒激光以及激光尾波场电子加速。他在美国期间曾在著名阿秒物理学家常增虎教授的研究小组工作将近六年，参与过广义双光选通方法产生阿秒脉冲的工作，所得的结果是世界上第一个也是至今唯一一个利用不带空心光纤压缩的钛宝石激光器直接产生的单阿秒脉冲。之后，他又主持设计建造了一套基于磁瓶飞行光电子谱仪的阿秒条纹相机，并利用双光选通在此装置上产生并测量了至今仍然是世界纪录的67阿秒最短相干光脉冲，其中，利用相位失配来控制阿秒超连续光谱的方法为产生更短的阿秒脉冲提供了一个有效的手段。

最快的成长是实践

大学毕业后，赵昆一直在美国求学或任职，2009年，他赴堪萨斯州立大学物理系到常增虎教授的科研组做博士后，这是世界一流的阿秒研究组，在组里的六年时间，为赵昆在阿秒光学领域的发展奠定了坚实的基础。

刚进组时，正赶上常增虎教授需要有人来设计并建造一套高精度宽谱阿秒条纹相机，于是赵昆成为了这一项目的负责人。按照常增虎教授的工作习惯，赵昆要先拿出一套全面细致的设计方案。

“好在组里之前有一台旧的条纹相机，也是组里同事自己建造的，我在这台旧的条纹相机上学到了很多东西，他们会告诉我当初为什么这样设计而不是那样设计，他们的经验让我少走了很多弯路。”

可即便是有样可循，该项目的设计方案还是讨论了两个月之久，“常老师的要求非常严格，他会问到每一个细节，他要求我们做事情不仅要‘知其然更要‘知其所以然。”

俗话说，磨刀不误砍柴工。方案确定后，赵昆和同事们仅用了一年半的时间，就完成了这台高精度宽谱阿秒条纹相机的建造，难能可贵的是，这台相机的核心部分——高精度光电子谱仪是赵昆所在研究小组独立设计建造的。

2012年，这台条纹相机已经投入使用，并且通过采用常增虎教授在偏振选通的基础上创新的双光选通产生，并测量得到了至今仍然是世界上最短的相干光脉冲——67阿秒的脉冲。这个结果证明了双光选通可以产生很宽的光谱从而压缩成很短的脉冲。“不仅如此，在实验中我们还总结出对飞秒激光产生的远紫外光谱进行调节和控制的方法，从而可以调节和控制所产生的阿秒脉冲的色散，最终得到在给定实验条件下所能得到的最短脉冲，这也对我们将来进一步拓展光谱，产生更短的阿秒脉冲具有重要的指导意义。”赵昆以第一作者的身份将相关的文章发表在2012年9月的《光学快报》上（Optics Letters），同时被中国《科技日报》、英国广播公司（BBC）、物理世界（Physics World）、美国福克斯广播公司（Fox News）、连线杂志（Wired）等几十家国际媒体用多种文字报道，至今在google scholar上引用已经超过200次，在SCI上也已经超过150次。

虽然高精度宽谱阿秒条纹相机项目给了赵昆很好的成长机会，但是现实还是摆在了他的眼前。

在美国，一个实验室里是不可能有两个科研负责人（Principle Investigator），虽然已经晋升为助理教授，但赵昆终究有一天要离开。“我不愿意像很多年轻教授一样，从拥有大型设备的实验室出来后，因为资金的问题转行到一些相对技术要求不高的方向上，我想在我原有的轨道上走下去。”

这意味着，赵昆需要一个平台，一个能支持他继续阿秒光学研究的平台。

最好的平台在中国

赵昆十分清楚自己需要的平台是什么样子，“在这个平台上我可以继续做我的研究，而不是先花费三五年的时间搭建设备。”赵昆并不是吃不起搭建设备的辛苦，只是以当下科技的发展速度来看，“也许过个三五年，等我的设备终于建造完成了，也已经跟不上技术的发展了，这都是说不准的事情。”

除了硬件实力，平台的技术构成也是赵昆比较关注的。

“虽然我设计建造过整套的设备，在探测器和激光器上也有一定的经验，但是对于物理这样一种复杂的学科来说，一个人是肯定做不成事情的，你一定会需要很多很多不同的技术支持。”

这与物理学的发展有关，“在物理上，定性的讨论已经被很久以前的前辈们讨论过了，如今我们要做的事情应该是把定性的理论推到定量方面，这个过程需要非常关键的、特定的、强大的技术作为支持。而能提供这种技术支持的正是那些规模化的研究组的优势。”

经过一番比较，2014年赵昆决定回国加入中国科学院物理研究所光物理重点实验室魏志义研究组，“魏志义老师搭建了一个非常好的平台，老实说在美国都没有这么好的平台。”

赵昆的评价一点也不为过，这一平台在国内阿秒光学领域首屈一指，曾经测出了阿秒脉冲的脉宽，这个技术至今在国内都无人能及。

该团队负责人魏志义研究员在飞秒激光的整套技术上有非常强的实力，他首次提出并实现了不同固体飞秒激光的被动同步技术；测量并实现了被动同步飞秒激光的载波包络相移（CEO）控制；采用系列新技术研制成功太瓦级的小型化超强超短脉冲激光装置；利用新的技术方案与国外同行一同打破了保持10年之久的超短激光脉冲世界纪录；设计研制成功综合性能先进的系列飞秒激光器件。endprint

“平台最吸引我的地方是，在这里不仅作为负责人的魏老师实力强大，其他老师的技术背景一样厉害。这对我的研究工作有非常大的帮助，我可以在各个方面与他们合作，借鉴他们的经验。”

“比如滕浩老师是飞秒激光器的专家，现在专做阿秒，所以他很清楚如何把这两方面结合起来，我现在的很多工作都是借助他在飞秒上的研究经验；贺新奎老师的研究比较偏向理论和计算，我们整套设备的设计、参数和方案的制定以及数据的分析都是贺老师的专长；还有方少波老师，他的研究方向是相干合成，这一技术是阿秒激光脉冲中非常重要的技术之一”。

“还有好多好多的老师，在我遇到困难的时候我都可以去请教他们，他们也愿意帮助我，这样好的科研氛围真的是可遇而不可求的。”

是的，在这里，赵昆找到了他想要的，接下来他坚信能做出他想做的。

最强的方法是交流

赵昆目前的工作集中于更宽光谱的阿秒脉冲的产生、高通量阿秒脉冲的产生以及加强超强超短飞秒激光的研制工作。

现有的阿秒脉冲的波长一般从十几到几纳米。赵昆希望，可以将波长范围向短波方向延伸至1纳米甚至纳米以下。这样阿秒脉冲就进入软X射线波段，不仅有可能产生更短的脉冲，也将会有更加广泛的应用。目前主要通过对现有的阿秒束线进行升级改造，利用现有飞秒激光，并引进他在美国常教授小组时学到的技术，进行消化吸收，首先把阿秒脉冲的中心波长从现在的15纳米左右减至10纳米以下，并增加光谱宽度；同时研制中红外飞秒激光，用来将中心波长进一步减至3至4纳米。

另一方面，目前实验室中产生的阿秒脉冲的主要问题在于其通量太低，就是脉冲中的光子数目或者说总能量太低。这样的低通量脉冲在应用中有诸多的限制，因此产生高通量的阿秒脉冲具有重要的创新和应用的意义。主要手段是通过提高用做驱动源的飞秒激光的脉冲能量来提高阿秒脉冲的通量。这主要有两方面的工作：首先是超强超快飞秒激光的研制，其次是设计建造新一套可以诊断和测量高通量脉冲的阿秒束线。

飞秒激光作为阿秒脉冲的驱动光源，对波长、脉宽、脉冲能量、平均功率等技术指标都提出了越来越高，甚至是越来越苛刻的要求，在这方面的有关激光物理和激光技术的研究工作已经变得异常重要。目前的飞秒激光面临的困境是超强脉冲（高达近200焦耳）不能做短，只能短至25飞秒左右；超短脉冲（可以短至1，2飞秒）不能做强，最多5到10毫焦耳。主要原因是产生超短脉冲使用的充气空心光纤技术在能量上的限制，并且此技术在实用中也有能量损失大、结构复杂、调节困难、稳定性差等诸多问题。而最新的固体材料展宽器则有可能解决这些问题。“以此技术为基础和核心，我们希望在超强又超短的飞秒脉冲产生方面获得突破，为产生高通量的阿秒脉冲建造更强有力的飞秒驱动光源。”

然而做科研不能宅在实验室闷头干，需要走出去与同行们多交流，尤其是我国在阿秒光学方面与欧美国家还有一定差距的时候。在一个国家或地区如果有几个组能够形成规模效益的话，对技术的进步将会有很大的促进作用。像北美，如今已经有六个组开展广泛的阿秒光学的研究工作，他们各有所长，既可以互相交流也可以互相合作。“比如你去一个组参观看到了好的技术和方法你就可以学过来”。赵昆看到，国内的阿秒光学起步较晚，希望进一步推广阿秒光学的研究，让国内更多的研究小组加入阿秒研究的行列，并且增加和国际上高水平研究组交流和互动的机会，未来国内一定会建立这样一个具有规模效益的科研环境。

有机会抓住机会，没有机会创造机会，这是所有科研人必备的品德。为了更好地促进交流活动，中国科学院物理研究所光物理重点实验室魏志义研究组2013年举办了“国际阿秒激光科学研讨会”，2015年又主办了第十届国际超快光学会议”。赵昆说：“我们研究小组未来会争取举办更多的会议，一个会议可以请来上百位国际专家，大家在会上和会下的交流非常多，这样有助于促进国内学科的发展。”的确，目前如果让国内的研究小组自费到国外去参加会议，高昂的费用不是人人都负担得起的，“我们现在把专家请到了国内，咱们国内的同行们都来讨论不是很好吗？”

虽然举办会议比较耗费精力，但是会议的价值是不可估量的，除了会议组里还会经常派学生到国外的研究组学习。“学生去国外的研究组做实验可以学到很多东西，都是书本上学不到的。”实际上，实验技术都是其过程中十分细碎的方法，可能就是习惯性的一个动作就决定了你实验的成败，“这种细碎的经验没人会想到要告诉你，要完全靠你自己去观察，学习和摸索。这个是需要传承的，这也是我们坚持派学生出去学习的初衷。”

最大意义在未来

在如今这样一个物欲横流的年代，科研也往往被与利润挂钩，也经常有人会问到赵昆研究阿秒的意义何在。

赵昆坦率地说：“我的研究没有直接的明显的社会效益。虽然我的研究的结果无法变成产出，但是它在科技发展的推动上的意义是不可限量的。”

当年，赵昆所在的常增虎研究小组做出了刷新世界纪录的67阿秒，在参加会议的时候，常有人问赵昆：“你为什么要研究这个67阿秒呢？它的意义是什么？”每当这个时候，赵昆都会风趣地反问：“刘翔百米跨栏夺金牌的意义是什么呢？”

的确如此，基础研究并不能迅速带来可观的经济效益和商业利润，基础研究的成果显现往往需要较长的时间，少则几年，多则几十年，有的甚至要耗费一个人的毕生精力或要经过几代人坚持不懈的努力。麦克斯韦为探索电磁场理论，整整用去了十多年时间。爱因斯坦思索狭义相对论和广义相对论，各花费了近十年时间，他把自己的后半生全部奉献给了统一场论的研究，可至今仍没有结果。为解决哥德巴赫猜想问题，几代人为之奋斗，但至今仍未攻克这个“堡垒”。从事基础研究的人员，必须要有“十年磨一剑”，“甘坐冷板凳”的精神，要学会“享受寂寞”，漠视金钱，不为名利所动。

换个角度想一想，赵昆说：“如果几年之后，有人发现了一种现象，他要对这种现象做研究，这个研究必须要使用67阿秒的脉冲，那个时候他就可以直接使用我做出来的技术，直接投入研究工作，而不是耗费时间先去做这个67阿秒。所以从这个技术意义的层面来说，技术永远要比目前的需求向前多走一步，只有这样才能达到一个技术储备效果。”

有人可能会问，以后真的会有人用到67阿秒吗？赵昆举了一个例子。

1962年，那是激光发明的第二年，科学家们在一起开会希望可以解开自己的困惑，“那时的激光只是一个正在寻找应用的工具，它被发明出来，却没人知道它将被用在哪里”，但是如今，我们的周围到处都是激光器，手机、电视、光碟机、超市扫描枪哪一个不是激光器的杰作呢？“今天还是曲高和寡的技术，谁知道哪一天就会变成一个应用非常广泛的技术了。所以我们有一个非常明确的目标就是要把阿秒做得更快更强，我们就在这个技术上往前走，至于我们现在发明的这项技术能不能马上应用到实际当中去，这可能确实是个问题。”

难道阿秒光学研究的意义就只能那么“飘忽”吗？

“如果一定要给阿秒研究找个现实意义，我想应该是人才的培养吧。”赵昆说。

在采访中，赵昆强调说，物理学的研究绝不单单是一个人的事情，它的复杂性决定了它需要全方位的技术支持，这也决定了每一位参与者都有机会获得更全面的知识和技能。“这对培养学生的分析能力、总结能力、解决问题的能力是非常有帮助的。”

赵昆认为，对学生在不同阶段的培养应该有不同阶段的要求，比如大学生阶段是获取知识的阶段，基本的状态为“我告诉你要什么，我告诉你怎么做”，大学生只要听从老师的指导，学习怎样做就好；到了研究生阶段，“我告诉你要什么，你告诉我怎么做”就成了应有的状态，要能提出自己的建议，有意识的培养自己解决问题的能力；到了博士博士后阶段，就应该达到“你告诉我要什么，你告诉我怎么做”的标准，因为这个时候你必须具有独立科研的能力。

光学元件 第12篇

一、光学镜头的设计原理

为了获得一个较理想的光学镜头，光学设计人员首先要清晰明确地了解使用要求、使用效果和设计结果。在设计要求方面，设计人员对镜头所要求的焦距、孔径、视场、最近成像距离等光学特性参数和分辨率、畸变、光学传递函数等成像质量特性参数都应熟悉。光学镜头设计者首先要从光轴上的某点开始追踪少量的光线，这里所假设的是每个物象点都会在胶片平面上形成与之相对应的点，所以发自物体的光线都将被转化为这样的成像点，并且具有同样的相对位置。光线是由不同波长的、有颜色光波组成的，而且当光线进入镜头时不同波长的光波具有其独特的光学路径，而且理想的光线不可避免地会被镜片所干扰而产生象差。镜头设计的第一要素就是对这些象差进行了解和控制。通过三角几何函数可以计算出校正的光线路径和现实的偏移量，这两者之差被称为光线路径差，使用来控制象差的依据。典型的象差有球面象差，晕光和失光。

在上世纪三十年代，尽管人们对象差进行了量化，但象差始终是镜头设计的困扰因素。对于设计者来说，如果想对象差进行校正，就必须知道特定象差对于成像会造成什么影响。球面象差会影响象场中央部分的成像，象面弯曲的程度说明了角部的校正情况。

更多的镜片给设计者带来了更大的自由度，由于有更多的镜片进行表面处理设计，设计者就可以在更大程度上控制象差。但是更多的镜片也意味着更高的造价，也更加趋于更小的生产宽容度。现在对新镜头的设计要求也越来越高。新的SummiluxR1.4/50要求到达2个设计目标：收缩光圈后像质的显著提高和全开光圈时整个画面要达到非常好的像质，这两项要求都是它们的前代们所未能达到的。目前光学设计部门大量使用了计算机，计算机及其计算机程序本身是无法找到全部答案的，也就是说设计者是不可能随心所欲地来操纵镜头的诸多变量的。但是借助于现代计算机的强大能力和对光学理论的进一步研究，光学设计人员对5级赛德尔 (Seidel) 象差的了解已经扩展到包含有60多种各种各样的象差。现代计算机可以做到每秒钟追踪计算200郯000条光线，各种参数的数量也在增加，对于一个6片镜片的设计，计算机需要进行许多年的计算才能找到全部可能的结果，而所需的时间是天文数字———以1开头，后面有99个0。

自上世纪八十年代末至今的第三代光学镜头设计的特点是在镜头设计的两大制约因素———机械精度和可接受的成本———之中寻求更加优异的光学设计。现代Leica镜头的设计是用来挑战胶片颗粒的极限的。如果说有什么设计知道原则的话，那这个原则就是：对低频空间频率的极高的反差表现和对高频空间频率的高反差表现。这样的表现本身就不是容易达到的，而且有全开光圈时候对于象场的大部分区域要有如此的表现。

二、光学镜头的设计和使用必须紧密结合

评价光学镜头的好坏直接涉及使用、设计和制造三个方面，它们之间的关系极为密切。光学镜头的设计人员必须深入实践，克服与使用者的沟通障碍，能够站在他们的角度考虑设计思路。这一个过程，实际上就是将使用者的“设计要求”正确变成“设计指标”进而变成“设计结果”的过程。当设计人员完整地清楚了使用者的设计要求后，才能确定可行的设计方法，并按照象差设计规律确定各种象差的平衡方案，进而进行优化设计，最终达到符合使用要求的设计结果。然而，如何评价优化设计的结果达到了设计要求呢?实际上这里提出了“设计结果”如何体现“设计要求”的问题。光学设计阶段的成像质量评价原则，是基于长期光学设计和加工实践反复摸索、总结规律而产生的理论。但是，根据这些评价原则对镜头进行评价，并不能代替未来产品的实际成像质量，最终的成像质量评价有待于产品生产制造出来后对产品通过各种仪器进行测试和实际使用效果进行检验。一般而言，根据使用要求所进行的设计，总是预示着加工成产品之后的使用效果，两者之间是有机联系着的，有相对的一致性，存在着“变成”和“体现”的关系。在实际设计当中“最好的”、“成像质量最优化的”未必就是实际工程实现“最合适”的系统。从工程设计的角度看，一个成功的设计系统往往并不是选用最高精尖的技术手段和材质完成系统设计，而是以能够完成设计要求、成本最低为指导原则的。设计结果体现使用要求的成像质量评价问题极为重要，它需要设计人员不断摸索实践，涉猎相关边缘学科，培养系统工程思维。