红外衍射光学元件的衍射效率和加工误差的研究

摘要

衍射效率是衡量衍射光学元件好坏的重要指标。衍射效率的大小，直接影响着衍射光学元件的光学性能及其在折/衍射混合光学系统中的应用。本文研究了双层衍射光学元件空气间隙大小对其衍射效率的影响，并且举例分析了衍射光学元件在红外光学系统的实际应用。
　　首先，本文以标量衍射理论和位相光栅方程，作为衍射光学元件理论分析的基础。分析了单层衍射光学元件、谐衍射光学元件、多层衍射光学元件在红外波段，其波长与衍射效率之间的关系。基于单层衍射光学元件、双层衍射光学元件倾斜入射时衍射效率表达式，讨论了斜入射时红外波段入射角度大小对衍射光学元件衍射效率的影响。与此同时，通过对Debye-Waller公式分析，讨论研究了衍射光学元件表面粗糙度对衍射光学元件衍射效率的影响。
　　其次，根据含有倾斜误差、偏心误差的衍射光学元件衍射效率的数学模型，分别讨论了它们在红外波段对衍射光学元件衍射效率的影响。除此之外，通过对双层衍射光学元件周期宽度误差的分析，建立了含有空气间隙的衍射光学元件衍射效率数学模型，分别讨论了不同周期、不同入射角度下，空气间隙大小对双层衍射光学元件衍射效率的影响。
　　最后，以硫化锌（ZnS）和硒化锌（ZnSe）为基底材料，设计了包含多层衍射光学元件的红外成像系统。基于带宽积分平均衍射效率理论，进一步验证了空气间隙大小对多层衍射光学元件性能的影响。

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第一章 绪 论

1.1衍射光学元件的发展历史

1.2衍射光学的发展现状及应用

1.3本课题的主要研究内容

第二章 衍射光学元件的理论分析

2.1标量衍射理论

2.1.1基尔霍夫衍射积分

2.1.2菲涅尔衍射积分公式

2.2位相光栅衍射效率

第三章 红外宽波段高衍射效率DOE的设计

3.1波长对衍射光学元件衍射效率的影响

3.1.1单层衍射光学元件

3.1.2谐衍射光学元件

3.1.3多层衍射光学元件

3.2在红外波段入射角度不同衍射光学元件衍射效率的分析

3.2.1单层衍射光学元件

3.2.2双层衍射光学元件

3.3衍射光学元件表面粗糙度对其衍射效率的影响

第四章 加工误差对衍射光学元件衍射效率的影响

4.1衍射光元件的三种主要加工技术

4.1.1激光直写技术

4.1.2复制技术

4.1.3金刚石车削技术

4.2装配误差对多层衍射光学元件衍射效率的影响

4.2.1倾斜误差对双层衍射光学元件衍射效率的影响

4.2.2偏心误差对双层衍射光学元件衍射效率的影响

4.3空气间隙对双层衍射光学元件衍射衍射效率的影响

4.3.1单层衍射光学元件的周期宽度误差

4.3.2 空气间隙对双层衍射光学元件衍射效率影响的理论分析

4.3.3空气间隙、周期对双层衍射光学元件衍射效率的影响

4.3.4空气间隙、入射角度对双层衍射光学元件衍射效率的影响

4.3.5空气间隙固定，入射角度对其衍射效率的影响

第五章 宽波段高衍射效率衍射光学元件在红外光学系统的应用

5.1红外光学系统的实例设计

5.2空气间隙对设计实例衍射效率的影响

结论

致谢

参考文献

在攻读硕士期间发表的学术论文及参加的科研项目