衍射光学元件示意图,衍射元件应用原理图
圆孔衍射图样
二者常常同时存在。 例如，不是极细缝情况下的双缝干涉，就应该 既考虑双缝的干涉，又考虑每个缝的衍射。
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光学仪器的分辨本领
二、圆孔夫琅禾费衍射
S
D
圆孔衍射图样：由一个中央亮斑和一组明暗相间的同心圆环组成；
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k 1 k 3.3
d
最高3级； 共7条谱线
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P398 例题10-2 用波长＝546.1nm的绿光垂直照射每厘米有3000条刻 线的光栅，该光栅的刻痕宽和透光缝宽相等，问：
能看到几条光谱线？各谱线衍射角多大？
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作业： P401，选择题：1，2，8，9 P404， 一. 1
R 1 D
1.22
人眼瞳孔：D =2~6mm
=68~23
望远镜： DM = 6m
= 0.023
例题：汽车二前灯相距1m，设 解：人眼的最小可分辨角
=500nm 人眼瞳孔直径为 5mm。
问：1）人眼的最小分辨角？
2）对迎面而来的汽车，离多远能 分辨出两盏亮灯？
0
1.22
D
L0 1m
L 8200m
1m
L?
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望远镜： 不可选择，但 D R
▲ 世界上最大的光学望远镜： D=8m
建在了夏威夷山顶。 ▲世界上最大的射电望远镜：
D = 305 m 建在了波多黎各岛的
Arecibo，能探测射到整个
地球表面仅1012W的功率，
也可探测引力波。
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工程光学第十三章 光的衍射
二、 基尔霍夫衍射公式 1、惠更斯—菲涅尔原理的缺陷 人为假设了 K ，未给出 K ( )、C 的具体形式。 2、菲涅耳—基尔霍夫衍射积分公式 主要思想： （1）波动微分方程+格林定理+电磁场的边值条件——给惠更 斯-菲涅尔原理找到了较完善的数学表达式 （2）确定了倾斜因子 K ( )、C 的具体形式。
产生衍射现象的条件：主要取决于障碍物或空隙的线度与
波长大小的对比。
103 以上，衍射效应不明显
光孔线度
10 10，衍射效应明显 ， 向散射过渡
3
导致衍射发生的障碍物称作“衍射屏”
衍射屏特性用复振幅透射系数t ( x1 , y1 )表示,有 t ( x1 , y1 ) A( x1 , y1 )e j ( x1 , y1 ) t ( x1 , y1 )是一复值函数，A( x1 , y1 )表示振幅， ( x1 , y1）表示相位， ( x1 , y1）表示衍射屏上的空间坐标。
球面次波
因K 的限制，波面上只有ZZ `范围内波面上发出的子波在P点 产生相干叠加，叠加后的合振动的复振幅为 CA exp ikR exp ikr K d R r 若用任意已知E Q 的孔径面代替波面，则P点的衍射分布可表示为 E P exp ikr C E Q K d r 原则上可计算任意形状的孔径屏障的衍射问题。
A exp ikl exp ikr cos n , r cos n , l E P i l r 2 exp ikr 菲涅耳积分式E P C E Q K d r 1 C i A exp ikl E Q l K cos n , r cos n , l 2
光的衍射应用实例和原理
光的衍射应用实例和原理1. 光的衍射原理简介光的衍射是光通过狭缝或者物体的边缘时产生的一种现象。
它是光的波动性质的体现，也是光的粒子性质的一种表现。
光的衍射原理可以用惠更斯-菲涅尔原理来解释，即光的每一个波前都可以看作是由无数个点光源发出的球面波。
2. 光的衍射应用实例2.1 衍射光栅衍射光栅是一种利用光的衍射现象进行分光实验的光学元件。
它广泛应用于光谱仪、光学显微镜、激光器等光学仪器中。
衍射光栅由许多均匀排列的狭缝组成，当光通过光栅时，会发生衍射现象，使得光的不同波长发生弯曲的程度不同，从而实现光的分光。
2.2 衍射透镜衍射透镜是一种特殊的光学透镜，它利用光的衍射现象来实现对光的控制和调整。
衍射透镜可以用于改变光的波前形状，实现光的聚焦或者扩散。
在激光技术中，衍射透镜可以用于改变激光光束的形状和强度分布。
2.3 衍射干涉衍射干涉是指光的衍射与干涉同时发生的现象。
它广泛应用于光学干涉仪、光栅衍射仪、双缝干涉装置等光学实验中。
通过调整光路和器件，可以利用衍射干涉实现对光的相位和幅度的测量，从而实现对物体的形状、表面质量等参数的分析和检测。
3. 光的衍射实现原理光的衍射实现原理主要包括以下几个方面：3.1 波的传播和干涉在光的衍射中，光波在传播过程中会遇到狭缝或边缘等障碍物，使得波前发生变化。
这种变化会导致波的衍射和干涉现象。
衍射是波的传播过程中波面的扩散效应，而干涉是波动性质导致的波的叠加效应。
3.2 衍射和干涉的数学描述波的衍射和干涉可以用数学方程进行描述。
根据惠更斯-菲涅尔原理，波的每个点可以看作是由无数个点光源发出的球面波。
利用菲涅尔衍射公式和杨氏双缝干涉公式，可以计算出衍射和干涉的光强分布和相位差。
3.3 光的衍射器件的设计和制造光的衍射器件的设计和制造非常重要。
对于衍射光栅来说，需要考虑狭缝的间距和大小；对于衍射透镜来说，需要设计适当的衍射结构和材料；对于光学干涉仪来说，需要控制光路和器件的精度和稳定性。
第4章衍射光学元件的加工技术
• 缩小投影曝光系统是对等倍投影曝光系统 的改进。
• 它具有许多优点：
1）掩模版尺寸可以比实际尺寸大的多，因而避免了小图 形制版的困难；
• 一般可制作小于20.32cm(8in)的掩模版。但因其设 备较电子束图形发生器便宜得多，仍是目前最常 用的一种制版方法。
• 绘红膜图制版是利用绘图机将图形直接绘制在红 膜上，再经过粗缩和精缩将红膜图缩小转印在干 版上，这种制版方法最简单，分辨率约1μm，制 版面积最大可达(200×200)mm2。
• 图示即电子束图形发生器制作掩模版的过程。首先在计算机
内绘制掩模图形，并按一定的数据格式存入数据文件，然后
由图形发生器转换成控制电子束偏转和位移的量，并驱动电
子束对铬和抗蚀层基片表面曝光，经过显影后在抗蚀层上形
成掩模图案，
电子束
• 再用溶液去掉未被抗蚀
层保护的铬层及残留抗 蚀Cr层区，域最)白后(无形C成r层黑区(有域)抗C蚀r层0.008.石6μμm英m 图案的掩模版。
电子束抗蚀层铬电子束变剂量曝光显影刻蚀衍射反射好100500正性光刻胶hoechest5200衍射反射好80160正性光刻胶sal100反射差27正电子束抗蚀材料ebr9衍射反射差20100正电子束抗蚀材料pmma适用元件类型抗刻蚀特性灵敏度ccm2类型抗蚀材料名称曝光显影刻蚀灰度掩模版k相对刻蚀深度误差掩模版曝光显影刻蚀一次曝光显影刻蚀二次曝光显影刻蚀二次曝光显影刻蚀电子束抗蚀层06mcr008m石英电子束曝光刻蚀显影去抗蚀层再用溶液去掉未被抗蚀层保护的铬层及残留抗蚀层最后形成黑有cr区域白无cr层区域图案的掩模版
衍射光学元件的基本原理
衍射光学元件的基本原理惠更斯-菲涅尔原理是基于赫维斯原理而扩展的，并成为了分析和设计衍射光学元件的主要工具之一、根据惠更斯-菲涅尔原理，光波在波前上的每一点都可以看作一个次波源，这些次波源以相同的振幅和频率发出光波。
这样，在光波传播到达衍射光学元件时，每个波前上的点都会发出次波，这些次波会在衍射元件上叠加形成新的波前。
赫维斯原理是基于波动理论的基础之一，它揭示了光波在传播过程中会发生衍射的现象。
根据赫维斯原理，光波在遇到障碍物时，会沿着新的波前扩散出去。
这些波前在障碍物的边缘产生弯曲，形成新的波面。
而衍射现象则是由于光波在经过边缘时发生衍射，而产生的干涉效应造成的。
根据衍射原理，可以通过选择不同的衍射几何形状和相应的衍射公式，来设计出具有不同功能和特性的衍射光学元件。
以下是几种常见的衍射光学元件的基本原理和应用：1.衍射光栅：光栅是由许多平行的条状透光区域和不透光区域交替排列而成。
光栅的衍射效应是由光波通过光栅的透光区域和不透光区域发生干涉产生的。
根据衍射公式，可以根据光栅的周期和入射光波的波长，来计算出不同衍射角度上出现的衍射光的强度和方向。
这种特性使光栅成为用于光谱分析、波长选择和光束分割的常见衍射光学元件。
2.衍射镜：衍射镜是将光波通过衍射效应形成的波面调制成期望的形状的元件。
通过将透明衍射光栅制成特定的形状并进行定向磨制，可以使得通过衍射镜的光波沿特定角度、特定焦距或特定光斑形状聚焦、分离或整形。
衍射镜广泛应用于光学系统中的激光成型、光刻、天文望远镜等领域。
3.衍射棱镜：衍射棱镜是由透明材料制成的具有棱角和倒角的元件。
衍射棱镜可以将入射光波的波长分离出来，形成光谱。
这是利用光波在通过衍射棱镜时会因为不同波长光的折射率不同而发生不同程度的弯曲所实现的。
这种特性使得衍射棱镜成为光谱分析、光通信和光学仪器等领域中常用的元件。
综上所述，衍射光学元件的基本原理是通过光波的衍射与干涉效应来实现的。
衍射光学元件被广泛应用于光学系统与设备中，其原理可以通过惠更斯-菲涅尔原理和赫维斯原理来解释和分析，并适用于设计和优化不同功能和特性的衍射光学元件。
衍射光学元件及其特性
第9章 衍光射学光系学统元中件的及应其用在现代
9.1.3 衍射光学元件的特性 1.消色差特性 衍射元件的色差由微结构对波长的衍射引起,其色散特性与折射元件正好相反。衍射 光学元件 在可见光波段的等效阿贝数为
4.高衍射效率 衍射效率是衍射光学元件的一项重要性能指标,与其外形轮廓台阶数有关。针对设计 波长和入射角度,设每个 台阶的高度相同,则衍射效率与台阶数的关系为
第9章 衍光射学光系学统元中件的及应其用在现代
可见,衍射效率随着台阶数的增多而增大,即:当台阶数很大(L=32)时,衍射效率接 近于1,如表9 1所列。但由于实 际工艺比较复杂,设计时具体台阶数应视具体任务而定。 但是理论上,衍射光学元件只能对单一波长和设计入射角 度进行精确闪耀,实现高效率特 点。因此,对于较大视场和宽波段的光学系统,衍射效率受到影响。解决上述问题的 方法是 谐衍射透镜(HarmonicDiffractiveLens,HDL),也称为多级衍射透镜。相邻环带间的光程 差是设计波长λ0 的整 数P 倍(P≥2),空气中透镜最大厚度为pλ0/n-1 ( ) ,是普通衍射透 镜的P 倍。
衍射透镜的光热膨胀系数公认为
衍射透镜的光热膨胀系数与透镜材料的折射率及折射率随温度的变化无关,只与透镜 材料热膨胀系数和像空 间折射率随温度的变化有关。因为与大多数光学材料具有的热差特 性相反,衍射光学元件可以补偿折射透镜引起 的热变形。由式(9.11)可知,衍射元件的光热 膨胀系数始终为正,而折射元件的光热膨胀系数有正有负。但是,衍射 元件的光热膨胀系 数与折射元件的光热膨胀系数相比,绝对值很小。在实际设计中,还需要利用正、负光焦度 的热 差效应来实现。设计无热化红外混合光学系统即可根据上述特性设计。
衍射光学元件的典型应用
衍射光学元件的典型应用哇，今天咱们聊聊“衍射光学元件”的那些事儿！一听这个名字，可能很多朋友就觉得“哎呀，这是什么高大上的东西啊”，其实呢，咱们生活中随处可见它的身影，真的是有点儿让人惊讶呢。
衍射光学元件，其实简单来说，就是通过衍射现象来操控光线的神奇玩意儿。
听上去是不是很神秘？别急，咱们慢慢来揭开它的面纱！首先，让我们从日常生活中开始说起。
想象一下，当你站在一个美丽的海滩上，阳光透过水面，形成了五光十色的反射，这种现象就和衍射有点儿关系。
实际上，衍射就像是光的调皮捣蛋，它在遇到障碍物或缝隙时，会像水波一样弯曲、扩散。
这就好比你扔了一块石头进水里，水面会产生一圈圈的波纹，光也是这么调皮地“玩耍”。
而衍射光学元件，正是利用了这种特性，来创造出各种各样的光学效果，真的是妙不可言。
说到应用，咱们首先得提到激光！激光在咱们的生活中越来越普遍，从激光打印机到激光雕刻机，几乎无处不在。
而衍射光学元件在激光应用中可是大显身手的。
比如，有些激光显示设备就需要通过衍射光学元件来实现丰富多彩的图案。
试想一下，聚会上朋友们用激光灯玩光影游戏，光影飞舞，大家都乐呵呵的，这背后可都是衍射光学元件的功劳啊！说到这里，真心觉得这些小玩意儿简直是科技界的魔术师！接下来，我们再来聊聊医疗领域。
咱们都知道，现代医学离不开先进的设备，而衍射光学元件在这里也是扮演了重要角色。
比如在一些显微镜中，衍射光学元件可以帮助医生观察到细微的细胞结构，让医生能更准确地做出诊断。
这就像是给医生装上了“透视眼”，让他们能更清楚地看见那些“隐秘的角落”。
听到这里，估计很多人会想，哇，这种技术真是太牛了！而且，咱们再看看光纤通讯，今天的网络速度飞快，背后也有衍射光学元件在默默支持。
光纤通讯是通过光来传输信息，而在这个过程中，衍射光学元件能有效地调控光的传播，帮助信息快速准确地到达目的地。
你可以把它想象成高速公路上的交通指挥员，确保每一辆车都能顺利通过，不至于堵车。
二元光学
二元光学元件的设计以及制造
几 种 典 型 的 二 元 光 学 器 件
二元光学元件的设计问题是去构造一个 新的分布函G(u),G(u)=|G(u)|. exp(i. f(u)) 它满足以下三个条件： (1) |G(u)|＝1，（纯相位型元件，振幅为 常数）； (2) f(u)是L 等级量化的（二元光学元件 ）； (3) G(u)的夫琅和费衍射花样g(x)＝ FT{G(u)｝的强度分布|g(x)|2 以高精 度地逼 近已知的强度信号| f (x)|2
二元光学元件的设计步骤
(1) 编码过程 将原先振幅分布中所携带的信 息，尽可能多的编码到相位分布中去。 (2) 量化处理 对连续分布的相位进行分级量 化处理。 主要有：G-S 算法、Y-G 算法及SA（ Simulation Annealing）算法。 普通光学零件的面形是用研磨、抛光方法加 工而成的，而二元光学元件的面 形是用与超大规 模集成电路制造技术相同的方法加工的。 由于制 造技术仍是制约二元光学元件发展的关键问题， 所以改进制造技术是 一个主要的研究领域。
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3 消反射的衍射元件
为了抑制光学表面的菲涅尔反射，通常采用镀膜方法，即在光学
表面镀一层 具有梯度射射率的薄膜，使得两种介质界面的光学性质近似
的连续变化，从而获 得极低的反射率。由于镀膜中常用的化学萃取和共 蒸发方法都要用到各向异性材料，因而不可避免的带来热学和力学性能
不均匀等问题，使得高质量镀膜难以成功的制作 。
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其它应用
莱福枪上的夜视仪 ，具有可宽带使用、大数值口径、携带方便、低 成本和大量复制等特点。
飞行员头上的平视显示仪 ，具有重量轻、光能损失小、单色显示且
显示清晰等优点。 达曼光栅分束器，其光束利用率极高，各光束强度均匀性好。
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衍射光学元件示意图
经过多年发展，海纳光学已经成为国内极具权威的衍射光学元件供应商。
衍射光学元件主要分为光束整形器、分束器、多焦点DOE、长焦深DOE、衍射锥镜、螺旋相位片、匀化片和其它图案的衍射元件DOE。
这里我们挑选较常用的整形镜、分束器、多焦点DOE，专门给出了这些衍射光学元件的示意图，衍射元件应用原理图，让用户能够对衍射元件的使用、安装位置和衍射过程一目了然。
一、光束整形器，整形镜，Beam Shaper, Top hat beam shaper
平顶光束整形器的作用是把高斯光束转换为平顶光束，即高斯整平顶。
平顶光斑具有效率高、光斑小、能量均匀性好等特点，顶部能量绝对均匀，边缘陡峭，无高级次衍射，也称为平顶帽式光斑。
光束整形器又称为整形镜，高斯整平顶DOE，平顶光整形器，平顶帽式整形镜，平顶光DOE，是最具代表性的衍射光学元件之一。
下面图片可以清晰地看到整形镜获得平顶光斑的过程，整形镜得到的平顶光斑的尺寸为衍射极限的1.5倍~几百倍，要求入射的高斯光束为TEM00的单模光。
一般整形镜的衍射效率>93%，均匀性>95% (多台阶整形镜)，对安装精度要求较高。
整形镜不仅可以把入射光整形成圆形、正方形，还可以整形成直线、长方形、六边形等其它用户需要的形状。
下图是把高斯光整形成直线光斑的示意图，这里我们用到一个模组而不是单独的镜片，这个模组成为Leanline，其克服了整形镜的工作距离限制，能够在一定工作距离范围内保持光束整形的效果。
二、匀化器、匀化镜、均匀光斑DOE、扩散片，Homogenizer, Diffuser
激光匀化器的作用是把入射激光转换成能量均匀分布的光斑，这里的光斑尺寸一般较大，形状可以为圆形、正方形、线性、六边形和其它任意用户想要定制的形状。
入射激光可以为单模或多模，衍射效率70%~90%不等。
下图清晰地给出了匀化器的匀化过程，一般的结构是激光通过匀化器和聚焦系统后即可匀化，但这里还配合了一个激光扩束缩束镜，通过调节这个扩束缩束镜就可以直接调节输出光斑的大小。
三、分束器，分束镜，分光镜，光束分光片，Beam splitter
激光分束镜用于把一个激光光束分为多个光束输出，输出光束可以按照一维或二维的形状排列，而且每个光束的光束直径、波前相位和入射的原始光束保持一致。
分束器的衍射效率介于70~95%之间，均匀性一般<5%，很多情况下光束直径的能量差别<1%。
分束器应用原理图如下，通过这个图片，无需任何文字描述，激光工程师就能够对分束镜有一个清晰的了解。
四、多焦点DOE，多焦点透镜，Multi focal lens
多焦点激光透镜专门用于透明材料的切割加工，其工作原理是激光的传播方向上形成多个焦点，从而对透明材料进行深度切割。
具体效果如下图所示。
与多焦点DOE竞争的技术还有长焦深DOE和轴锥镜。