衍射光学元件的冷反射特性研究

摘要

与传统的以光的折射和反射原理为基础的光学元件相比，衍射光学元件具有质轻体薄、设计灵活、并且对入射光波可以自由调制等优点。通过折衍混合的方式，可以在提高光学系统成像质量的同时，简化系统结构，减轻重量，缩小体积。对于致冷红外光学系统，衍射元件在简化系统的同时，从致冷红外探测器上发出的冷光线会被衍射表面反射而发生多级衍射。本文首次系统地研究了致冷红外光学系统中单层和多层衍射表面的冷反射特性，提出了红外系统中衍射光学元件冷反射分析的概念、理论和方法，给出了衍射冷反射的评价标准。本文的研究方法及结论对于衍射表面冷反射的分析具有重要的理论意义和实用价值。
　　以光波的标量衍射理论为基础，本文系统地研究了单层衍射光学元件和多层衍射光学元件的衍射特性，分析了单层衍射光学元件的色散特性，部分色散特性与温度稳定特性，研究了单层衍射光学元件的消色差、复消色差和消热差理论。通过将单层衍射元件和多层衍射元件的衍射表面用二元光学元件的台阶表面进行模拟，计算出斜入射的光线在衍射表面产生的位相延迟，进而分析了单层和多层衍射元件的衍射效率与入射角度和入射波长变化的关系。多层衍射光学元件增加了衍射光学设计的自由变量，通过不同材料的配合，可以设计出不同衍射表面微结构的高度，以提高成像波段范围内入射光波的衍射效率，解决单层衍射元件衍射效率随着入射波长对中心波长的偏离而下降的问题。但是多层衍射光学元件的衍射效率仅在一定角度范围内对入射角的变化不敏感，当入射角度增加，衍射效率会迅速降低，增加了对入射角度的灵敏度。此外本文对多层衍射光学元件在不同温度变化下的成像特性进行研究，分析了衍射离焦量与衍射元件材料热膨胀系数的关系。
　　对于致冷红外光学系统，可以把衍射光学元件的消色差和消热差特性等应用到光学系统优化设计中。但是致冷探测器会通过前方光学系统的光学表面反射而探测到自身的冷像。当单层衍射元件应用于致冷红外光学系统时，从致冷的红外探测器上发出的冷光线逆向追迹到单层衍射元件的衍射表面，被反射的光线会由于衍射表面引入的相位延迟而发生衍射。衍射的冷反射光线在整个设计波段内会发生多级衍射，从探测器发射出的冷光的能量也分配在不同的衍射级次中，且不同衍射级次的冷光线成像到致冷探测器上形成冷像的大小尺寸也各不相同。这样，在进行冷反射分析时，首先要进行衍射效率分析，然后针对各衍射级次进行光线追迹，进而分析衍射表面的冷反射特性。
　　与单层衍射元件相比，多层衍射元件需要分析多个衍射表面的衍射冷反射。对双层衍射元件进行冷反射特性研究的结果表明，双层衍射表面的冷反射与单层衍射表面冷反射的最大不同在于，被双层衍射表面第一个谐衍射表面反射的冷光线实际上经历了三次相位延迟，一次反射，两次透射。此外，相对单层衍射元件，多层衍射元件表面的微结构高度更高，造成衍射的冷反射光线在整个设计波段内会发生多级衍射。
　　本文对衍射光线采用近轴光线追迹的方法，首先分析了从致冷探测器发出的冷光被衍射表面反射后衍射级的衍射效率，在此基础上定量分析了单层衍射表面以及多层衍射表面的冷反射，给出了修正后的衍射表面的近轴冷反射评价标准，为致冷红外光学系统中衍射表面的冷反射提供了一种全新的分析与评价方法。
　　文章最后给出了三个红外光学系统设计实例，分别为含有单层衍射表面的中波折衍射混合红外光学系统，含有单层衍射表面的长波折衍射混合红外光学系统和含有多层衍射表面的长波折衍射混合红外光学系统。通过实例分析了多个含有衍射表面的红外系统中的冷反射，并给出了衍射表面的冷反射分析结果。

目录

声明

摘要

附图目录

表格目录

第一章 绪论

1．1 衍射光学元件的研究进展和发展状况

1．1．1 衍射光学的特点与发展

1．1．2 衍射光学元件的应用

1．2 含有衍射表面的红外光学系统的研究现状

1．3 论文研究目标和内容安排

第二章 单层衍射光学元件的理论分析

2．1 光波的标量衍射理论

2．1．1 光波场的传播

2．1．2 衍射表面的衍射效率分析

2．1．3 入射光波长和入射角度对衍射效率的影响

2．2 衍射光学元件的设计

2．2．1 单层衍射光学元件的消色差和复消色差特性

2．2．2 单层衍射光学元件的消热差问题

2．2．3 单层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率

2．3 本章小结

第三章 多层衍射光学元件的理论分析

3．1 谐衍射光学元件的设计理论

3．2 多层衍射光学元件的设计理论

3．2．1 多层衍射光学元件的理论可行性分析

3．2．2 双层衍射光学元件的衍射效率

3．3 多层衍射光学元件的热特性分析

3．4 本章小结

第四章 致冷红外光学系统的冷反射

4．1 冷反射的基本原理

4．1．1 冷反射的概念及产生的条件及设计特点

4．1．2 致冷红外光学系统冷反射的特征量及其意义

4．2 单层衍射表面的冷反射特性

4．3 多层衍射表面的冷反射特性

4．4 本章小结

第五章 含有衍射表面的致冷红外光学系统设计实例

5．1 含有单层衍射表面的中波折衍射混合红外光学系统

5．1．1 中波致冷光学系统的优化设计

5．1．2 单层衍射表面对中波冷反射的影响

5．2 含有单层衍射表面的长波折衍射混合红外光学系统

5．2．1 长波致冷红外光学系统的优化设计过程

5．2．2 单层衍射表面对长波冷反射的影响

5．3 含有多层衍射表面的折衍射混合红外光学系统

5．3．1 长波致冷红外光学系统的优化设计过程

5．3．2 多层衍射表面对冷反射的影响

5．4 本章小结

第六章 结论

6．1 论文的主要工作

6．2 论文的主要创新点

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文