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凹面光栅衍射效率测试双单色仪的光学系统设计和分析

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科学技术创新 2024年第12期 74-77页

作者：寇婕婷汪浩鹏易拥洁吴鹏程联合微电子中心有限责任公司重庆

为了完善凹面光栅衍射效率测试仪的研制,需要对凹面光栅衍射效率测试仪的光学(成像)系统进行设计和分析。根据仪器光学系统的设计要求,分别对Ⅲ型凹面光栅和Ⅳ型凹面光栅组成的光学系统进行设计和模拟,给出了各自光学系统的像面点列图... 详细信息

为了完善凹面光栅衍射效率测试仪的研制,需要对凹面光栅衍射效率测试仪的光学(成像)系统进行设计和分析。根据仪器光学系统的设计要求,分别对Ⅲ型凹面光栅和Ⅳ型凹面光栅组成的光学系统进行设计和模拟,给出了各自光学系统的像面点列图和实际光线追迹数据。设计结果表明,仪器光学系统的出射光斑最大宽度为0.72 mm,最大高度为7.54 mm;通过适当选择探测器的规格和尺寸,可以确保出射光通量没有损失。进而保证了仪器光学系统的测量准确性。

关键词：凹面光栅衍射效率光学设计结果分析

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自溯源光栅衍射效率的分析与研究

红外与激光工程 2023年第11期52卷 291-299页

作者：梁利杰刘丽琴管钰晴孙佳媛邹文哲郭创为张玉杰褚小要郭斌雷李华中国计量大学计量测试工程学院浙江杭州310018 上海市计量测试技术研究院上海201203 上海在线检测与控制技术重点实验室上海201203

基于矢量衍射理论并采用严格耦合波方法建立了一种新型的自溯源光栅正弦结构及入射条件与衍射效率的理论模型;通过控制变量法分析了自溯源光栅结构参数、激光入射条件对衍射效率的影响规律;搭建了光栅衍射效率测量系统;结合光栅方程,计... 详细信息

基于矢量衍射理论并采用严格耦合波方法建立了一种新型的自溯源光栅正弦结构及入射条件与衍射效率的理论模型;通过控制变量法分析了自溯源光栅结构参数、激光入射条件对衍射效率的影响规律;搭建了光栅衍射效率测量系统;结合光栅方程,计算了不同Littrow角对应的衍射效率。仿真结果表明:入射波为TM偏振态、入射波长为420 nm、入射角为80°时,自溯源光栅-1级衍射效率处于峰值状态,为4.3%;在Littrow结构中,入射波为TM偏振态、入射波长为415.51 nm、Littrow角为77.5°时,自溯源光栅-1级衍射效率达到最大,且接近非Littrow角对应的自溯源光栅的峰值衍射效率。实验结果表明:入射波为TM偏振态、入射波长为405 nm、入射角从65°~85°改变时,自溯源光栅的衍射效率呈上升到平稳再下降的趋势,67°~80°改变时,其衍射效率达到平稳最大值,其结果为0.6%左右,其衍射效率变化趋势与理论计算结果一致。

关键词：自溯源光栅严格耦合波方法衍射效率 Littrow角测量

基于偏振补偿的级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法

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液晶与显示 2023年第7期38卷 880-891页

作者：胡虎刘雪莲王春阳王子硕梁书宁西安工业大学兵器科学与技术学院陕西西安710021 西安工业大学西安市主动光电成像探测技术重点实验室陕西西安710021 长春理工大学电子信息工程学院吉林长春130022

针对光束在级联式液晶偏振光栅传播过程中的斜入射现象会改变其椭圆率进而降低衍射效率的问题,提出了基于偏振补偿的级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法。运用扩展琼斯矩阵分析斜入射角度对液晶偏振光栅相位延迟的影响,结合斯托克斯参... 详细信息

针对光束在级联式液晶偏振光栅传播过程中的斜入射现象会改变其椭圆率进而降低衍射效率的问题,提出了基于偏振补偿的级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法。运用扩展琼斯矩阵分析斜入射角度对液晶偏振光栅相位延迟的影响,结合斯托克斯参数求解不同斜入射角度下液晶偏振光栅出射光束椭圆率的变化,利用矢量衍射理论完成级联式液晶偏振光栅衍射效率模型的建立。基于液晶分子指向矢分布建立斜入射下液晶电控波片的坐标系,分析斜入射角度对液晶电控波片相位延迟的影响,推导出液晶电控波片相位延迟与椭圆率的关系。通过优化液晶电控波片的工作电压补偿斜入射造成的退偏量,实现对椭圆率的偏振补偿。搭建实验平台验证了理论的准确性与方法的有效性。根据测量结果可知,当光束偏转角度从-5°偏转到5°时,本文所提方法提高了级联式液晶偏振光栅3%~4%的衍射效率。

关键词：级联式液晶偏振光栅衍射效率扩展琼斯矩阵斯托克斯参数液晶电控波片

应用于彩色光波导显示中的液晶偏振体光栅结构设计与制备

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液晶与显示 2024年第4期39卷 427-435页

作者：阚丽娜穆全全彭增辉杨程亮于洋刘永刚王启东中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室吉林长春130033 中国科学院大学材料科学与光电子工程中心北京100049 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130033

本文设计并实现了一种三层结构液晶偏振体光栅,对其衍射特性及其在光波导中的耦合情况进行了研究。理论上,选取横向周期为424 nm,根据特定工作波长450 nm、532 nm、633 nm在满足布拉格衍射条件的情况下计算出了相对应的3个纵向周期以实... 详细信息

本文设计并实现了一种三层结构液晶偏振体光栅,对其衍射特性及其在光波导中的耦合情况进行了研究。理论上,选取横向周期为424 nm,根据特定工作波长450 nm、532 nm、633 nm在满足布拉格衍射条件的情况下计算出了相对应的3个纵向周期以实现其厚度方向的叠加。采用有限元法对该器件进行了模拟仿真,计算出了其光谱特性及角度特性,根据红绿蓝三色光色散关系仿真出了其在波导内耦合的入射角与衍射角之间的关系曲线。实验上,本文实现了该液晶偏振体光栅器件的制备并对其进行了系统性能表征,给出了一个初步的光波导耦合实验,演示了其耦合效果。结果表明,所制备的三层液晶偏振体光栅器件在450 nm、532 nm、633 nm下衍射效率最高可达80%以上,对应波长下的角带宽分别为12°、8°、6°,其在波导内耦合的视场经模拟可达到27.81°,是一种良好的光波导耦合器件。

关键词：光学器件角度响应衍射效率液晶偏振体光栅

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级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法研究

级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法研究

作者：胡虎西安工业大学

学位级别：硕士

液晶偏振光栅是一种能够实现光束非机械式偏转的新型液晶器件,具有轻量化、小型化、低功耗等特性,广泛应用于激光雷达、空间光通信、扫描成像等领域。然而,单片液晶偏振光栅的扫描视场有限。为实现高分辨率与大视场的光束扫描,需要将多... 详细信息

液晶偏振光栅是一种能够实现光束非机械式偏转的新型液晶器件,具有轻量化、小型化、低功耗等特性,广泛应用于激光雷达、空间光通信、扫描成像等领域。然而,单片液晶偏振光栅的扫描视场有限。为实现高分辨率与大视场的光束扫描,需要将多片液晶偏振光栅与液晶电控波片交替级联形成级联式液晶偏振光栅。但是光束在级联式液晶偏振光栅传播过程中产生的斜入射现象,会使液晶电控波片出射的圆偏光发生退偏,导致液晶偏振光栅能量利用率下降,进而降低衍射效率。因此,为了实现高衍射效率的光束偏转,开展级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法研究,具有重要的理论和应用价值。论文主要研究内容如下:从液晶电光效应入手,分析了单片液晶偏振光栅的衍射特性和液晶电控波片的相位调制特性。采用二进制级联方案,设计了由四组液晶偏振光栅和液晶电控波片构成的级联系统,可实现扫描视场为±5°、角度分辨率为0.33°的光束偏转。分析了影响级联式液晶偏振光栅衍射效率的因素,结合扩展琼斯矩阵、斯托克斯参数、矢量衍射理论,构建了级联式液晶偏振光栅斜入射角度-退偏量-衍射效率的三维模型,推导了退偏量和液晶电控波片相位延迟的数学公式,为实现衍射效率优化提供了理论支撑。针对级联式液晶偏振光栅衍射效率低的问题,分析了基于免疫算法和Alopex算法的衍射效率优化方法,在级联系统不同偏转角度下,通过两种优化算法对衍射效率的优化效果进行仿真,结果表明,两种优化算法可以提升衍射效率,但易陷入局部最优。为了进一步提升级联式液晶偏振光栅的衍射效率,构建了斜入射下液晶电控波片相位延迟模型,利用液晶电控波片的相位调制特性,结合退偏量和液晶电控波片相位延迟的数学公式,提出了基于偏振补偿的衍射效率优化方法。该方法可以计算出级联系统出射光最优衍射效率对应的液晶电控波片工作电压,实现衍射效率的优化。结果表明,当级联式液晶偏振光栅偏转角度为1°时,应用偏振补偿法对级联系统衍射效率优化后,衍射效率从84.21%提高到91.75%,提升了7%;相较于免疫算法与Alopex,衍射效率分别提高了6%与4%。为实现级联式液晶偏振光栅高衍射效率的光束扫描,设计了基于偏振补偿法的级联式液晶偏振光栅控制软件总体方案。通过人机交互界面输入液晶电控波片工作电压,利用串口通讯模块给下位机发送电压指令,进而调制光束通过液晶电控波片的相位延迟,优化级联式液晶偏振光栅的衍射效率。运用扫描控制模块控制级联式液晶偏振光栅,实现了扫描视场为±5°、角度分辨率为0.33°的光束扫描,和电压优化前相比,衍射效率提升了4%以上,验证了本文所提方法在实际应用场景中的有效性。

关键词：级联式液晶偏振光栅衍射效率液晶电控波片偏振补偿斯托克斯参数

采用丙烯酸酯双单体的高空间频率透射式体全息H-PDLC光栅的研制

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液晶与显示 2024年第6期39卷 752-760页

作者：朱宁郑继红申桐李科刘悠嵘上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093

全息聚合物分散液晶(holographic-polymer dispersed liquid crystal, H-PDLC)体全息光栅因其化学状态稳定、制作简单、价格低廉等优势为全息光波导耦合器件提供了一个更优的思路。本文提出了采用复合型丙烯酸酯类高/低折射率匹配调制的... 详细信息

全息聚合物分散液晶(holographic-polymer dispersed liquid crystal, H-PDLC)体全息光栅因其化学状态稳定、制作简单、价格低廉等优势为全息光波导耦合器件提供了一个更优的思路。本文提出了采用复合型丙烯酸酯类高/低折射率匹配调制的H-PDLC透射式体光栅的研制。首先结合耦合波理论及分子扩散理论介绍了H-PDLC光栅的形成机理。然后,通过实验对不同官能度单体的光栅材料进行筛选,并研究其全息衍射特性。在此基础上,进一步采用提高引发剂含量的方式优化了高频体全息H-PDLC光栅性能。实验结果表明,该双单体的H-PDLC配方可实现在可见光波段透过率大于90%,在空间频率为973 lp/mm下,衍射效率达到90%,响应带宽为99 nm;在2 941 lp/mm下,衍射效率为75.4%,响应带宽为29 nm。该H-PDLC光栅作为波导显示系统的耦合器件有可观的应用前景。

关键词：聚合物分散液晶透射式体全息光栅衍射效率波长响应带宽

不同记录光强下辅助紫光对菌紫质薄膜全息衍射效率的影响

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物理学报 2008年第4期57卷 2199-2204页

作者：韩俊鹤姚保利郜鹏陈利菊王英利雷铭中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室

具有光致变色效应的菌紫质薄膜可用作可擦重写型全息记录介质.在全息记录过程中,由于菌紫质薄膜对记录光的散射和反射引起记录光栅对比度下降,当记录光较弱时,这种影响较小,可以忽略;但当记录光较强时,散射和反射光对记录光栅的影响很大... 详细信息

具有光致变色效应的菌紫质薄膜可用作可擦重写型全息记录介质.在全息记录过程中,由于菌紫质薄膜对记录光的散射和反射引起记录光栅对比度下降,当记录光较弱时,这种影响较小,可以忽略;但当记录光较强时,散射和反射光对记录光栅的影响很大,必须考虑它们对光栅对比度的影响才能对实验结果进行合理的解释.实验发现在不同的记录光强下辅助紫光对衍射效率动力学曲线的影响不同,当记录光强较弱时,加入辅助紫光可以提高衍射效率的稳定值、抑制峰值;而当记录光强较强时,加入辅助紫光除了提高衍射效率的稳定值外,还可以提高衍射效率的峰值.采用菌紫质光致变色的二能级模型,对实验现象从理论上给出了很好的解释.

关键词：菌紫质衍射效率干涉条纹对比度

高衍射效率低偏振灵敏度全反射浸没光栅的设计

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光学学报 2023年第22期43卷 72-79页

作者：陈慧盈陈新华潘俏朱嘉诚沈为民苏州大学光电科学与工程学院江苏苏州215006 江苏省先进光学制造技术重点实验室江苏苏州215006 教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006

浸没光栅是星载温室气体监测成像光谱仪光学系统中的核心分光元件,能够实现更高的光谱分辨率和更紧凑的结构尺寸。推导了浸没光栅的色散率公式,并对比了采用浸没光栅和普通平面光栅时的光谱分辨率。针对温室气体O2-A带的探测需求,利用... 详细信息

浸没光栅是星载温室气体监测成像光谱仪光学系统中的核心分光元件,能够实现更高的光谱分辨率和更紧凑的结构尺寸。推导了浸没光栅的色散率公式,并对比了采用浸没光栅和普通平面光栅时的光谱分辨率。针对温室气体O2-A带的探测需求,利用有限元计算方法开展了浸没光栅槽形结构的优化设计,得到了兼有高衍射效率和低偏振灵敏度的全反射型浸没光栅槽形参数,并分析了光栅结构参数和等效介质层的制造公差。设计结果表明,在750~770 nm波段范围内,该浸没光栅-1级平均衍射效率高于92%,偏振灵敏度低于1%。

关键词：衍射光栅浸没光栅全反射等效介质层衍射效率偏振灵敏度

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液晶相控阵器件衍射效率及控制方法研究

液晶相控阵器件衍射效率及控制方法研究

作者：秦欢长春理工大学

学位级别：硕士

以液晶空间光调制器与级联液晶偏振光栅为主的液晶光学相控阵器件能够实现光束的偏转与整形,可应用于空间激光通信、激光雷达、高能激光武器等。相较于机械器件,其可缩小系统的体积和重量,降低功耗。液晶空间光调制器是一种可编程的、... 详细信息

以液晶空间光调制器与级联液晶偏振光栅为主的液晶光学相控阵器件能够实现光束的偏转与整形,可应用于空间激光通信、激光雷达、高能激光武器等。相较于机械器件,其可缩小系统的体积和重量,降低功耗。液晶空间光调制器是一种可编程的、对光波相位的空间分布进行调制的器件,可实现高精度小角度范围的光束偏转;级联液晶偏振光栅基于液晶偏振光栅与液晶可调半波片,通过控制相位改变偏振态,进一步实现光束偏转,可实现低分辨率、大角度范围的光束偏转。目前关于液晶空间光调制器的静态衍射效率理论已被熟知,然而关于液晶空间光调制器实现光束调制过程中的衍射效率瞬时衰减理论未见报道。诸多学者已对单片液晶偏振光栅的衍射效率理论进行研究,但正交级联使用后的衍射效率未知,为提高衍射效率的控制方法尚未见报道。本文研究了液晶空间光调制器实现光束调制过程中的衍射效率瞬时衰减,并通过实验验证了瞬时衰减的存在;通过优化控制系数的方法,减小入射液晶可调相位延迟器与液晶偏振光栅的角度,通过优化液晶可调相位延迟器控制电压的方法,提高液晶偏振光栅的衍射效率。通过实验测试,实验数据分析和绘制优化控制前后的衍射效率对比图,验证本文所述方法的可行性。

关键词：液晶偏振光栅正交级联液晶空间光调制器衍射效率液晶可调相位延迟器