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衍射光学元件DOE的设计

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衍射光学元件DOE的设计

发布日期:2018-12-13 作者: 点击:

  一束光线从一个介质进入到别的一个介质时,会同时发作反射和折射现象,反射和折射的能量由入射角

   和折射率等要素断定。当入射角大于介质的临界视点时,折射为0,发作全反射现象。

   当光线从光疏介质进入光密介质时,折射视点< 入射视点,不然折射视点 > 入射视点。

   从这个规矩能够知道,想发作全反射,必须是光从光密介质如水进入光疏介质如空气才可能发作。


9号注册   折射/全反射:光从不同密度的介质穿过时发作的偏折现象,偏折的程度和介质的折射率n有关。

         折射率是反映介质光学性质的物理量。它的巨细由介质自身及光的频率共同决议,

         与入射角、折射角的巨细无关

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9号注册    衍射光学元件DOE的规划(diffractive <wbr>optical <wbr>elements <wbr>)

从折射的公式中能够看到,sin(i)/sin(r) = n 如果视点r > 90度,那么就没有折射发作,而发作全反射。

全反射的临界视点等于:

   sin90°/sin(i) = n => i = 42° 假定介质为玻璃时(折射率n断定了,能够核算临界角)

全反射棱镜:截面为等腰直角三角形的棱镜:

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衍射和衍射光栅:  

   如果光波在其传达路径上遇到某种障碍物,则将产生衍射,从一般意义上, vcsel激光镭射光路上障碍物被界说为衍射屏。衍射屏的效果,就是损坏原有自由空间的波前并从头构建波前,从而使光波场,即衍射场从头散布,圆孔、单

9号注册缝、矩孔等空间结构的障碍物都是衍射屏。除了上述结构简略的衍射屏之外,还有许多空间结构比较杂乱的衍射屏,例如,具有多条狭缝或多个圆孔的衍射屏。在种 种结构杂乱的衍射屏中,有一类是具有空间周期性结构的,其衍射的成果又比较简略的规律,并且容易进行数学上的剖析,所以获得了很广泛的使用。这种衍射屏就 是衍射光栅。

9号注册衍射光栅:具有周期性空间结构或光学结构的衍射屏,振幅光栅和相位光栅。

          光栅因为使透射光或反射光的振幅改动,因而统称为振幅光栅。

          还有一类光栅,对于入射光而言,是全透或全反的,但是透射光或反射光的相位将被改动,因而被称

          作相位光栅。

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色散现象:


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  折射和衍射都存在色散现象。



光程和光程差,相差的关系:

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可见,如果是在不均匀的介质中,会存在折射的状况,那么传输到P点就不是一条直线,而是几条直线相加。

因为不同光线经过的介质可能不同,为了方便,将光程差界说到了真空介质上(n=1)。

假定n2=n1=n=1,那么在P点的相位差为:

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9号注册两束相干光在空间中的叠加是明仍是暗取决于这两束光线在该点的光程差(正叠加仍是负叠加):

因为一个波长就是2*PI,如果光程差为PI,那么表示负叠加。不然为正叠加,也就是说光程差

是1/2波长的奇数倍仍是偶数倍决议了是负叠加仍是正叠加(这就是半波长规律)


      衍射光学元件DOE的规划(diffractive <wbr>optical <wbr>elements <wbr>)

因为衍射本质上和干与是相同的,都是波的叠加,因而衍射其实也符合这个半波长规律。

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问题1:为什么在光程差的图上,S1S1'是垂直于S2P的,为什么S2S1'是光程差,不是应该为(S2P-S1P)?

       根据直角三角形规律:斜边> 直角边

9号注册            S1P > S1'P

       从这个意义上来说,光程差并不是S2S1'。

       但是当r>>d,r>>波长时,也即是观察点P离S1,S2的间隔r远大于d和波长时,

            S1P 约等于 S1'P。

9号注册       因而光程差能够约等于S2S1'。

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  衍射中也有相似的做法,相同的,光程差dL也是一个近似的。

  下面是单缝衍射的菲涅尔波带剖析法:

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         衍射光学元件DOE的规划(diffractive <wbr>optical <wbr>elements <wbr>)



衍射光学元件DOE的规划(diffractive <wbr>optical <wbr>elements <wbr>)


          


9号注册两边际光线的光程差是半波长l/2的

偶数倍时,一切波带的效果成对地彼此抵消,会聚点为暗条纹;

奇数倍时,一切波带只有一个波带效果,其他成对地彼此抵消,会聚点为明条纹.

如下公式表述:   衍射光学元件DOE的规划(diffractive <wbr>optical <wbr>elements <wbr>)


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上面的中心明纹称为"zero - order衍射"。

菲涅尔波带剖析法仅仅简略的将单缝分为1/2波长的波带,用一条光线来替代了这个波带,这只能简略的剖析明仍是暗,并不能明确的给出亮点的亮度值,因而只能是一个大致的剖析。


振幅矢量法:

 振幅矢量法将单缝划分成N个波带,但是N值很大,导致在一个波带内的光线的相位基本上相同,因而能够将

 一个波带内的光线看成是一束光线,在空间中某点的衍射成果就是由这N个波带的N束光线叠加的成果。等

 价于N束光线的干与叠加。

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L,M分别是单缝中最上面和最下面两束光线。 


 通过矢量作图能够得到光强公式:

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 u的取值对光强的影响如下图(曲线同菲涅尔剖析得到的是相同的):

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从曲线上能够看到,衍射视点θ对衍射光强的散布影响:

           衍射角θ = 0时   对应最亮的明纹,这就是zero-order衍射

衍射视点和衍射阶次:

  在光学中将上面的光强曲线中的极大值点对应的衍射视点称为衍射阶次(diffraction order)。

  下图是red/blue两种关系经过衍射分光后的图,其间的m就是衍射阶次(相似于傅里叶级数)。

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多缝衍射:

  除了单缝衍射,还存在多缝衍射。事实上大部分的DOE器材都是多缝衍射。

  从上面的单缝衍射光强公式能够看到,单缝衍射的衍射图画和缝的位置是无关的,仅仅和缝的宽度和衍射阶次

  以及波长相关。这几个要素如果相同的话,那么每一个单缝的衍射图画都应该相同。

  多缝衍射光学模型:

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缝间干与的光强:

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多缝衍射标明,光强是由单缝衍射的光强和缝间干与两部分共同效果的成果。


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 从上面这个图能够看到,以单缝衍射光强散布为基准,单缝衍射中的暗纹在多缝衍射中因为缝间干与的存在可能会变成明纹,反之亦然;取决于哪一个要素的光强更大。这种现象称为"缺级现象"(以单缝衍射的明暗条纹为基准). 


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关键词:衍射光学介绍,DOE的设计说明,衍射光学元件DOE的规划

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