位相型厚全息光栅及应用研究
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衍射光栅是现代光学技术中的重要光学器件，它的应用遍及光学技术的各个
研究领域。如果位相型全息光栅的衍射效率特性必须用矢量理论分析，这一类光
栅称为位相型厚全息光栅。由于该类光栅应用极其广泛，对它们的制作方法研究
和衍射特性分析具有十分重要的意义。本文的厚全息光栅包括折射率调制型位相
光栅、介质膜基底的浮雕型光栅掩膜和由象素光栅组成的随机位相光栅，论文在
理论和实验制作方法上对这三类光栅进行了深入研究。
利用平行条纹面的非均匀双波耦合波理论，结合实验测量结果，提出了平行
条纹面反射体全息的折射率非均匀模型，为反射体全息窄带带阻滤光片奠定了理
论基础。分析对比了全息体光栅在 Bragg 条件和偏离 Bragg 条件下的 Kogelnik 双
波耦合理论与严格耦合波理论的计算结果，给出双波耦合波理论的近似条件。
实验制作了介质膜光栅光刻胶掩膜，刻蚀结果表明，掩膜达到设计质量要求，
为用于惯性约束核聚变（ICF）的脉冲压缩光栅制作打下了实验基础。分析了大面
积光栅掩膜的技术难点，对长时间全息曝光时全息系统的稳定性作了详细分析，
并设计制作了条纹锁定系统。理论上给出了光栅的衍射波象差与记录光学系统波
象差的关系，设计分析了用于全息记录的大口径光学系统。
理论和实验上对平行条纹面的反射体全息进行了系统研究，利用非均匀折射
率调制度模型分析了反射体全息的光谱衍射特性，实验上探讨了记录介质重铬酸
明胶工艺条件与衍射特性的对应关系，实验上制作了全息窄带带阻滤光片，设计
并实验制作了汽车全息平显装置。
用统计光学理论分析了用象素全息技术制作的定向随机位相板的衍射场特
性，用严格耦合波理论分析了浮雕结构随机位相板的衍射效率特性，给出了这一
衍射元件的设计方法并在实验上进行了验证。实验制作了象素全息制作的核心元
件——对称分束体全息光栅，用严格耦合波理论分析了这类光栅的衍射特性，这
一分析对体分束光栅的制作具有指导意义。理论上提出了用定向随机位相板检测
光学表面面形的方法，提供了一种检测大面积光学元件表面面形的技术方案。
关键词：衍射光栅 耦合波理论 脉冲压缩光栅 全息带阻滤光片 平视
显示 象素全息
iii
ABSTRACT
Diffraction gratings, which are applied in various areas of optical technology, are
important optical elements for modern optics. A type of holographic gratings, which
diffraction specialities are analyzed with vector theory, is called phase thick holographic
grating (PTHG). The study on the fabricating method and diffraction specialty are very
significative as a result of wide applications of the PTHG. The PTHGs in this paper
include refractive index modulation grating, grating mask on multilayer stacks and
random phase grating composed with pixel gratings. The theory and experiment
research on the three types of grating are carried out in this paper.
A refractive index non-uniformity model of reflective hologram in which the fringe
plans are parallel to the surface of recording medium is proposed according to the
non-uniform couple-wave theory and the experimental measure results. The model is a
theoretical basis for holographic notch filter. The rigorous couple-wave theory and
Kogelnik couple-wave theory are compared under Bragg condition and deviating Bragg
condition. The approximate conditions of Kogelnik’s theory are given.
The photoresist grating mask on multilayer stacks is fabricated successfully. The
etching results indicate that the mask can satisfy the etching desires. The making mask
and etching experiments establish basis fabricating pulse compression grating, which
are used inertial confinement fusion (ICF). Stability of holographic system of long
exposing time is analyzed, and fringe-locking system is established. The relationship
between diffraction wavefront aberration and recording optical system is given. A
large-scale collimation system is designed.
Reflective holograms which fringe plans are parallel to the recording medium surface
are researched on theory and experiment. According to the nonuniform model of
refraction index modulation, the spectrum speciality is studied. The relationship
between the technics of dichromatic gelatin and the spectrum speciality is shown.
Holographic notch filter and automobile head up display are fabricated.
The diffraction field of directional random phase scatterer (DRPS) composed of pixel
gratings is analyzed with statistical optics. The diffraction efficiency analysis to DRPS
with rigorous couple-wave theory is shown. The design method of DRPS is given and is
validated. A volume grating splitting beam symmetrically, a primary element forming
pixel gratings, is fabricated, and its diffraction efficiency calculation is presented. A
iv
method for detecting optical surface with DRPS is proposed theoretically, which is
applicable to large-scale optical elements.
Key Words: Diffraction grating, couple-wave theory, pulse compress
grating, holographic notch filter, head-up display, pixel holography
v
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 引言 .....................................................................................................................1
参考文献 .......................................................................................................................4
第二章 位相型厚全息光栅耦合波理论 .........................................................................5
§2.1 光栅电磁场理论概述 .......................................................................................... 5
§2.2 在周期介质中的麦克斯韦方程 .......................................................................... 7
§2.3 浮雕型光栅的严格耦合波理论（RCW）......................................................... 9
§2.4 体反射全息的非均匀耦合波理论 .................................................................... 12
§2.4.1 非均匀体全息的耦合波方程......................................................................12
§2.4.2 折射率调制度和空间频率变化分布..........................................................15
§2.5 折射率调制型透射光栅的严格耦合理论 ........................................................ 18
§2.5.1 折射率调制型体光栅的严格耦合波理论..................................................18
§2.5.2 Bragg 条件下严格耦合波理论和 Kogelnikh 理论的比较 ........................21
§2.5.3 偏离 Bragg 条件下严格耦合波理论和 Kogelnik 理论的比较.................25
参考文献 .....................................................................................................................31
第三章 大口径脉冲压缩全息光栅掩膜 .......................................................................35
§3.1 引言 .................................................................................................................... 35
§3.2 介质膜脉冲压缩光栅原理和技术要求 ............................................................ 37
§3.2.1 光栅对脉冲压缩原理..................................................................................37
§3.2.2 介质膜光柵的结构和工艺原理...................................................................38
§3.2.3 脉冲压缩光栅光刻胶掩膜技术指标..........................................................42
§3.2.4 大口径脉冲压缩光栅关键技术..................................................................45
§3.3 全息台的稳定性 ................................................................................................ 46
§3.3.1 激光器与全息台分离结构的稳定性分析..................................................46
§3.3.2 全息记录的条纹锁定系统..........................................................................48
§3.3.3 透射元件的不稳定性对全息记录稳定性的影响......................................50
§3.4 大口径光栅曝光光学系统设计 ........................................................................ 53
§3.4.1 全息光栅波象差与记录光学系统关系......................................................53
§3.4.2 单光学元件光学系统..................................................................................54
§3.4.3 含补偿器的平凸透镜系统..........................................................................59
vi
§3.4.4 系统调节和检测..........................................................................................67
§3.4.5 大口径透镜装架形变对波象差的影响......................................................68
§3.4.6 小结..............................................................................................................70
§3.5 全息光刻胶掩膜制作 .........................................................................................71
§3.5.1 光刻胶掩膜的技术要求..............................................................................71
§3.5.2 光刻胶涂布..................................................................................................71
§3.5.3 光刻胶掩膜工艺研究..................................................................................73
§3.5.4 实验结果......................................................................................................77
参考文献 .....................................................................................................................79
第四章 体反射全息光栅 ...............................................................................................81
§4.1 非均匀体反射全息的制作及衍射特性 .............................................................81
§4.1.1 反射全息的测试...........................................................................................81
§4.1.2 反射全息光学元件制作..............................................................................82
§4.2 反射全息滤光片 .................................................................................................86
§4.2.1 窄带滤光片折射率调制度特性...................................................................86
§4.2.2 窄带滤光片的制作和实验结果分析...........................................................91
§4.3 汽车平显系统 .................................................................................................... 92
参考文献 .....................................................................................................................94
第五章 象素全息光栅 ...................................................................................................97
§5.1 象素全息光栅制作 ............................................................................................ 97
§5.1.1 象素全息光栅的制作方法..........................................................................97
§5.1.2 象素全息图的设计......................................................................................98
§5.1.3 体全息分束器设计与制作........................................................................100
§5.2 象素全息光栅衍射场特性 .............................................................................. 103
§5.2.1 一维象素随机光栅的散射特性................................................................103
§5.2.2 有空频和倾角变化的象素随机光栅的散射特性....................................107
§5.3 定向随机位相散射板 ...................................................................................... 109
§5.3.1 定向随机位相散射板设计与制作............................................................109
§5.3.2 设计实例及实验结果................................................................................112
§5.3.3 定向随机位相散射板衍射效率分析........................................................113
§5.4 定向随机位相散射板应用——用定向位相散射板检测波象差 ...................118
§5.4.1 象素随机光栅散射板干涉仪测量系统....................................................118
§5.4.2 随机光栅散射板设计实例........................................................................120
vii
§5.4.3 随机光栅散射板干涉仪原理....................................................................121
§5.4.4 象素随机光栅散射板干涉仪特性分析....................................................125
参考文献 ...................................................................................................................127
第六章 结论 .................................................................................................................129
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .......................................... 131
致 谢...........................................................................................................................133
第一章 引言
1
第一章 引言
衍射光栅是现代光学技术中的重要光学器件，它的应用遍及光学技术的各个
研究领域。光栅两个世纪前被发明，人们了解到光栅的特性不同于普通粗糙表面，
它能将入射光衍射到几个特定的方向，这些方向称为衍射级，而粗糙表面将入射
光散射至整个空间。光栅的这一衍射特性与入射波长相关，这也是光栅光谱应用
基础。随着光栅制造技术的发展，光栅应用于物理学的许多重要领域：光谱仪、
声学、固体物理学、X-射线仪、激光，此外还应用于范围更广的科技应用领域，
如光通讯、信息处理、天文和空间科学，甚至应用于我们日常生活中的 CD 播放
机、信用卡安全防伪和广告显示中。
衍射光栅按不同的特性往往可以有多种分类，例如，可以按几何结构、材料、
衍射效率特性、制作方法等分类，也可按工作的波段或用途分类。如将光栅可分
为：振幅-位相光栅、折射率调制-浮雕光栅、刻划-全息-光刻光栅、对称槽形-闪
耀光栅、透射-反射光栅、凹面-平面光栅、小阶梯-中阶梯-阶梯光栅、矩形-三角
形-正弦-梯形槽形光栅、介质-金属光栅、母光栅-复制光栅等等。但本文标题涉及
的是按分析光栅衍射特性的电磁场理论分类。
对光栅的使用者而言，除了希望了解光栅各级衍射光的射方向外，还希望了
解每一级光的衍射能量。光栅衍射效率的计算涉及光栅的电磁场理论。由于光栅
的重要性，光栅电磁场理论始终吸引人们的极大关注。光栅的衍射理论可以分成
两大类：标量理论和矢量理论。
标量理论计算光栅衍射效率是基于惠更斯-菲涅耳原理。对于平面屏的衍射，
在衍射场中的任一点的场振动可以用菲涅耳-基尔霍夫衍射公式计算[1]，如果平面
屏是一光栅，则可通过计算远场的场振动来计算光栅的衍射效率。数学计算表明，
光栅各级光的衍射效率可直接从光栅透射函数的傅立叶变换系数得到[2]。光栅标
量衍射理论的物理图象清晰，计算方便简单，但它是一种近似理论，应用范围有
限。
20 世纪初，Rayleigh 认为在光栅槽形附近的电磁场可以由一系列的传播衍射
波和倏逝波表示，这一表示被称为 Rayleigh 展式，这是真正意义上的光栅衍射电
磁理论或矢量理论的开始[3]。以后从 60 年代开始，随着大型电子计算机的出现，
光栅的矢量电磁理论获得了迅速发展。
所谓光栅电磁场理论的物理问题可以归纳为一个简单的物理模型，如图
2.2-1 所示。图 2.2-1 中上部是入射介质，单色线偏振光从入射介质入射至带有周
期性结构的无限延伸的调制层，入射光经调制层衍射后，部分光返回入射介质区，
位相型厚全息光栅及应用研究
2
成为反射衍射光，另一部分透射衍射至另一均匀介质，形成透射衍射光。解以上
物理问题应建立在以下基础上：
1、麦克斯韦方程在图 2.2-1 的三个区域内处处成立；
2、在图 2.2-1 的入射介质和调制层边界、调制层和透射介质边界满足电磁场
的边界条件；
3、仅入射波带有射向光栅的能量，所有的衍射级只有倏逝波或背离调制层
传播衍射波。
经过自上世纪 60 年代以来的四十多年两代人的努力，光栅的电磁场理论现
已发展成为一个具有系统的基础结构、成熟的检验标准、包含十几种不同计算方
法的理论集合。它能解决绝大部分光栅的衍射理论问题。
显然，以光栅适用的电磁场衍射理论为标准可以将光栅分为两类，薄光栅和
厚光栅。前者适合于用标量波理论计算其衍射效率，后者则适合矢量波理论。这
里不能将薄光栅和厚光栅简单的认为图 2.2-1 中调制层的厚薄。一般认为标量波
理论的近似条件是光栅条纹间距大于入射波长的 5倍[4][5]，但实际情况比较复杂
[6]。这一近似条件除与条纹的空间频率有关以外，还与光栅的槽形或介质的厚度
有关。本文的研究对象则是适用矢量波理论的厚光栅。
按本文定义的厚光栅，位相厚光栅包括浮雕型光栅和折射率调制型光栅，同
时，浮雕型光栅中又包括透射介质光栅和镀有金属层或其他反射层的反射光栅，
折射率调制型光栅中也包括透射光栅和反射光栅。位相厚光栅的应用范围非常广
泛，本文仅涉及论文作者在攻读博士论文期间从事的厚位相光栅的研究工作，主
要包括以下方面：
1、理论上介绍和分析了厚全息光栅的衍射特性。利用平行条纹面的非均匀
双波耦合波理论，结合实验测量结果，提出了平行条纹面反射体全息的折射率非
均匀模型，为反射体全息窄带阻滤光片奠定了理论基础；分析对比了全息体光栅
在Bragg 条件和偏离 Bragg 条件下的 Kogelnik 双波耦合理论与严格耦合波理论的
计算结果，给出双波耦合波理论的近似条件。
2、开展了大口径介质膜光栅掩膜制作技术研究。制作了介质膜光栅光刻胶
掩膜，刻蚀结果表明，掩膜达到设计质量要求，为用于惯性约束核聚变（ICF）
的脉冲压缩光栅制作打下了实验基础；分析了大面积光栅掩膜制作的技术难点，
对长时间全息曝光时全息系统的稳定性作了详细分析；设计制作了条纹锁定系统；
理论上给出了光栅的衍射波象差与记录光学系统波象差的关系，设计并分析了用
于全息记录的大口径光学系统。
3、理论和实验上对平行条纹面的反射体全息进行了系统研究。利用非均匀
折射率调制度模型分析了反射体全息的光谱衍射特性，实验上探讨了重铬酸明胶
第一章 引言
3
记录介质工艺条件与衍射特性的对应关系；实验上制作了全息窄带带阻滤光片，
设计并实验制作了汽车全息平显装置。
4、开展了象素全息制作和应用的研究。实验制作了对称分束体全息光栅，
用严格耦合波理论分析了这类光栅的衍射特性，这一分析对体分束光栅的制作具
有指导意义；对称分束体光栅的重要应用之一是象素全息制作技术，本文用统计
光学理论分析了用象素全息技术制作的定向随机位相板的衍射场特性，用严格耦
合波理论分析了浮雕结构随机位相板的衍射效率特性，给出了这一衍射元件的设
计方法并在实验上进行了验证；理论上提出了用定向随机位相板检测光学表面面
形的方法，提供了一种检测大面积光学元件表面面形的技术方案。
位相型厚全息光栅及应用研究
4
参考文献
[1] M. 玻恩，E. 沃耳夫，光学原理， 北京，科学出版社，1978，pp.484-505
[2] 顾德门，傅立叶光学导论，北京，科学出版社，1979
[3] Lord Rayleigh O. M., On the dynamical theory of diffraction gratings, Proc. Royal
Soc. (London)A, 1907, 79: 399-416
[4] H.P.赫尔齐克，微光学元件、系统和应用，北京，国防工业出版社，2002.
[5] 张国平，叶嘉雄，李再光，二元光学元件的耦合波分析，光电工程，1997，
24(2):18～22
[6] 刘全，吴建宏，光栅的标量衍射理论与耦合波理论的分析比较，激光杂志，
2004，25（2）：31-34
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ii衍射光栅是现代光学技术中的重要光学器件，它的应用遍及光学技术的各个研究领域。如果位相型全息光栅的衍射效率特性必须用矢量理论分析，这一类光栅称为位相型厚全息光栅。由于该类光栅应用极其广泛，对它们的制作方法研究和衍射特性分析具有十分重要的意义。本文的厚全息光栅包括折射率调制型位相光栅、介质膜基底的浮雕型光栅掩膜和由象素光栅组成的随机位相光栅，论文在理论和实验制作方法上对这三类光栅进行了深入研究。利用平行条纹面的非均匀双波耦合波理论，结合实验测量结果，提出了平行条纹面反射体全息的折射率非均匀模型，为反射体全息窄带带阻滤光片奠定了理论基础。分析对比了全息体光栅在Bragg条件和偏离Bragg条件下...
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2025-01-09 21
作者：赵德峰
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：136 页
大小：6.85MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
