徐平 杜春雷 郭永康 郭履容 唐继跃

　　(四川大学信息光学研究所成都610064)

　　摘要 提出一种用计算机设计制作的双闪耀光栅，是在闪耀光栅和双频光栅基础上发展起来的一种新型光学元件，是由微闪耀光栅列阵组成的、兼有闪耀光栅和双频光栅的优良特性.

　　关键词 计算机设计，闪耀光栅 全息双频光栅 双闪耀光栅

　　闪耀光栅可对某一波长的入射光在指定方向上产生闪耀，因而具有很高的衍射效率。用计算机设计制作闪耀光栅，具有制作简单、复制容易可大规模模压复制、成本低、适合多种用途等优点[1·2〕。

　　全息双频光栅可产生两剪切光束，用它来构成全息杨氏干涉仪[3]，可测量各类激光束的空间相干性[4]，以及测量微小位移等[5]。

　　本文提出的用计算机设计制作的双闪耀光栅，是在闪耀光栅和双频光栅基础上发妙起来的一种新型光学元件。该元件由两块微闪耀光栅列阵组成、兼有闪耀光栅和双频光栅的优良特性。用这种双闪耀光栅，不仅可以完全取代全息杨氏干涉仪和全息剪切干涉法测量光扬相干性实验中所使用的关键元件一全息双频光栅;而且在上述应用中，用双闪耀光栅比用全息双频光栅有两个明显的优点，一个是衍射效率高，两剪切干涉光束强度更大，可使光能量再增加几倍;另一个是可使光路共轴布置，形成对称光路，因此具有广泛的应用。

　　设计原理与模拟结果

　　我们提出的用计算机设计制作的双闪耀光栅，是由微闪耀光栅列阵组成的衍射光学元件，其光栅槽面设计成由两部分组成:第一部分的光栅槽面为锯齿形第二部分的光栅槽面为反锯齿形(如图1所示)。两部分沿光栅槽线方向的中心线对称。这样制得的光栅将对某一种指定波长产生对称双光束闪耀输出。即产生一对剪切相干光束。两束输出光之间的夹角可通过设计不同的光栅闪耀角或空间频率来控制和调整。

　　图1是我们设计的双闪耀光栅工作原理的示意图。对于这种结构的衍射光学元件，本文采用28672个样点数用计算机进行了模拟。模拟时考虑到理想情形下二元光学元件的衍射效率刀与台阶数L有如下关系〔6-8〕。

　　由此进行计算可得到下表的数据。

　　表1二元光学元件的衍射效率从表1可知，当台阶数L大于或等于16时的二元槽形实际上与设计的连续槽形相差无几。因此模拟时选用的台阶数为16，每个台阶上的样点数为7，这时的双闪嫩光栅槽形如图2(图中只画了元件的中央部分)所示。图3是该双闪耀光栅输出面上的光强分布。这里只画了两束输出光附近的光强分布，它们实际上集中了98%以上的光能量。每一束输出光的光强分布如图4所示。

　　另一方面，考虑到记录底片上的曝光黑度与曝光量并非线性关系，而是对数关系（9），其中D是光密度，即曝光并且显影了的银粒子的密度;E表示曝光量，它是入射光强度和曝光时间的乘积;称作胶片的反差，下标n表示是负片。因此，在用计算机设计时，应当对底片传递函数的影响加以修正，使最后得到满足设计要求的双闪耀槽型。

根据上面所述的双闪耀光栅的工作原理，以及对它的模拟和修正的结果，我们设计了一块大小为35mmx22mm的双闪耀光栅原版。

　　其参数为:

　　使用波长:入=632.8nm

　　选用基底材料:氮化硅膜(折射率n~1.9)

　　光栅常数:d=0.l367mm

　　空间频率:7.3pl/mm

　　灰阶数:16

　　闪耀角:

　　刻槽深度:h=入/(n一i)=703.1nm

　　该方法制作过程分两步进行。第一步，根据实际要求选择浮雕调制位相记录材料，用计算机设计双闪熠光栅的槽形，产生一幅点阵数为4096X2732的数据文件，并利用由VAX计算机控制的图像处理系统在记录底片上输出连续灰度分布的振幅型光栅原图;第二步，在选择的记录材料(国产212正性光刻胶)上进行曝光、复制以及根据需要所进行的缩微拷贝等后处理，使灰度分布的振幅型光栅转化成浮雕调制的位相型光栅，即得到所需要尺寸的双闪耀光栅。

　　结束语

　　我们提出的用计算机设计制作双闪耀光栅的新方法，可以根据实际需要，方便的设计适合各种用途的光栅槽型，选择闪耀波长和闪耀角;并考虑了制作过程中传递函数的影响而对位相函数进行修正。具有控制灵活，制作方便，复制容易，比传统的金刚石刀刻技术价廉，而且可作成模压母版，大规模模压复制以及用途广泛等特点。

　　参考文献

　　〔1〕Lurong Guo et al，Chinese Journal of lasers (English edition)  1992，1，No4

　　〔2〕Lurong Guo et al.，Proc.SPIE ,1991，1555，300

　　〔3〕谢建平，仪器仪表学报，1988，9，No.3

　　[4谢建平，光学学报，1985，5，NoZ

　　[5〕JiapingXie，et al.，Journal of China University of scince and Technology ,1985,5，No.2

　　[6〕徐平等，光学学报，1996，16(5)

　　「7〕徐平等，大学物理，1996，4

　　[8〕徐平等，中国激光(录用待印)，1996

　　〔9」[美」杨振寰著，母国光等译，《光学信息处理》，南开大学出版社，天津，1986，117

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