邊界調(diào)制孔徑與光柵的菲涅耳衍射特性的研究.pdf

1、作為衍射光學(xué)中的基本問題，兩百多年來孔徑衍射的研究從未間斷。至今為止，孔徑衍射仍作為探究光學(xué)中特殊現(xiàn)象物理機(jī)理的重要手段而備受關(guān)注?？讖降南拗坪脱苌淇蓪崿F(xiàn)光束能量在空間的再分布，為此通過設(shè)計孔徑的形狀和結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)光束能量的人為控制。這也促使孔經(jīng)及其衍射被廣泛應(yīng)用于光束整形、光束耦合和波前變換等的研究中，成為微納器件的設(shè)計和制造的重要依據(jù)。
　　光柵是空間周期分布的縫或孔結(jié)構(gòu)，特殊的周期結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)特性。光柵也出現(xiàn)在如激光

2、脈沖壓縮、光波調(diào)制、信息編碼與信息存儲等各個領(lǐng)域，成為脈沖壓縮、波前調(diào)制和頻譜分析等的重要手段。光柵的泰伯效應(yīng)是光柵在衍射過程中呈現(xiàn)的自成像現(xiàn)象，這一衍射光學(xué)現(xiàn)象被應(yīng)用于陣列照明、相位鎖定和光學(xué)存儲中，同時也成為光束準(zhǔn)直性測量和光波波前、溫度和位移等檢測的重要光學(xué)技術(shù)方法。隨著研究的深入，光柵泰伯效應(yīng)這一傳統(tǒng)的衍射光學(xué)現(xiàn)象也擴(kuò)展到了非線性光學(xué)、原子光學(xué)和量子光學(xué)等不同學(xué)科領(lǐng)域，有力地促進(jìn)了不同學(xué)科的交叉發(fā)展。
　　設(shè)計孔徑結(jié)構(gòu)調(diào)控

3、衍射能量的空間分布是衍射光學(xué)器件功能設(shè)計中的首要任務(wù)，也是研究光學(xué)衍射的主要目的。在衍射研究的處理中，孔徑和光柵衍射單元的邊界是平滑的，然而事實上，任何制作技術(shù)很難做到這一點(diǎn)。實際制造的孔徑和光柵的邊緣往往是粗糙的。鑒于此，本論文圍繞著調(diào)制邊界的孔徑和光柵及其菲涅耳衍射開展研究，給出調(diào)制邊界定量描述，理論推導(dǎo)了調(diào)制邊界孔徑和光柵衍射的光強(qiáng)分布，實驗測量調(diào)制邊界孔徑和光柵的衍射圖樣，探究孔徑與光柵的菲涅耳衍射隨調(diào)制邊界的演化規(guī)律。本文的具

4、體內(nèi)容安排如下：
　　第一章為本文的緒論，首先介紹標(biāo)量衍射的基本理論，包括惠更斯原理、惠更斯—菲涅耳原理、基爾霍夫衍射理論、瑞利—索末菲理論、菲涅耳衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射理論等標(biāo)量衍射的基本理論，并就這些基本衍射理論的適用條件給出明確的界定。其次分析基于這些理論開展的孔徑與光柵衍射的研究現(xiàn)狀，提出邊界隨機(jī)調(diào)制的孔徑與光柵衍射研究的必要性。
　　第二章主要介紹邊界調(diào)制的孔徑與光柵的產(chǎn)生方法。衍射孔徑的形狀為圓孔和橢圓孔兩種，調(diào)制邊

5、界包括正弦邊界和隨機(jī)邊界。實驗制作的孔徑粗糙邊界滿足高斯統(tǒng)計分布，因此采用高斯統(tǒng)計模型中粗糙度w和橫向相關(guān)長度ξ這兩個參數(shù)來描述。而光柵的邊界則采用S. K. Sinha提出的自仿射分形統(tǒng)計模型，當(dāng)α=1時，這一模型自然退化為高斯統(tǒng)計模型。此時用粗糙度w、橫向相關(guān)長度ξ和粗糙指數(shù)α這三個參數(shù)來描述光柵的粗糙邊界。此外，借助于計算機(jī)程序模擬產(chǎn)生了相應(yīng)的邊界，從而獲得了調(diào)制邊界的孔徑和光柵，為后面工作的開展打下基礎(chǔ)。
　　第三章從理論

6、計算、數(shù)值模擬、實驗測量上對邊界調(diào)制孔徑的菲涅耳衍射進(jìn)行研究。理論上，根據(jù)標(biāo)量衍射理論和統(tǒng)計光學(xué)原理推導(dǎo)圓孔與橢圓孔菲涅耳衍射的解析表達(dá)式。通過數(shù)值模擬給出不同邊界調(diào)制參數(shù)的孔徑在不同衍射距離處的衍射圖樣，對比平滑邊界圓孔與橢圓孔的衍射，分析孔徑形狀和邊界參數(shù)對衍射的影響。借助于空間光調(diào)制器獲得孔徑樣品，搭建光路，完成邊界調(diào)制孔徑的衍射的實驗測量。實驗驗證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。這項研究不僅有助于加深對衍射理論的理解，而且獲取的特征衍

7、射圖樣可促進(jìn)其在光束整形和光學(xué)微操控等中的應(yīng)用。
　　第四章主要開展調(diào)制邊界光柵的菲涅耳衍射的研究。根據(jù)第二章的原理，模擬產(chǎn)生調(diào)制邊界光柵，數(shù)值計算了調(diào)制邊界光柵的衍射光強(qiáng)分布，分析了光柵泰伯像隨光柵邊界調(diào)制參數(shù)的演化規(guī)律。為合理解釋這些現(xiàn)象，借助于標(biāo)量衍射理論和統(tǒng)計光學(xué)原理，對邊界調(diào)制光柵的菲涅耳衍射進(jìn)行了理論推導(dǎo)，給出了調(diào)制邊界光柵的衍射光強(qiáng)的解析表達(dá)式。實驗上借助于液晶光調(diào)制器獲得光柵樣品，測量了調(diào)制邊界光柵在不同泰伯距離處