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第1章 绪论 1

1.1 二元光学及其内涵 1

1.2 衍射微光学器件设计理论的研究进展 3

1.2.1 基于标量衍射理论的设计方法 4

1.2.2 基于矢量衍射理论的设计方法 5

1.2.3 衍射微光学器件设计理论的发展趋势 7

1.3 衍射微光学器件制作方法的研究进展 8

1.3.1 传统套刻法 9

1.3.2 激光直写法 10

1.3.3 灰度掩模法 19

第2章 衍射微光学基本理论 23

2.1 基尔霍夫标量衍射理论 23

2.1.1 基尔霍夫衍射公式 23

2.1.2 基尔霍夫衍射积分模型 24

2.1.3 菲涅耳衍射积分模型 25

2.1.4 夫琅和费衍射积分模型 27

2.1.5 圆对称形式菲涅耳衍射积分模型 28

2.1.6 圆对称形式夫琅和费衍射积分模型 29

2.2 平面波角谱衍射理论 29

2.2.1 角谱及其物理解释 29

2.2.2 角谱的传播 30

2.2.3 衍射孔径对角谱的效应 32

2.3 衍射微光学器件的衍射效率 33

2.4 衍射微光学器件设计的评价函数 36

第3章 基于标量衍射理论的精细化设计 39

3.1 精细化设计时输入平面的抽样原则 39

3.1.1 输入平面光场振幅的频谱 39

3.1.2 衍射光学器件复振幅透过率的频谱 40

3.1.3 输入平面的近似抽样 43

3.2 精细化设计时输出平面的抽样原则 44

3.2.1 基于正向衍射变换的优化算法 44

3.2.2 基于正、逆向衍射变换的优化算法 45

3.3 精细化设计时变换函数的抽样原则 47

3.3.1 基尔霍夫衍射变换函数的抽样原则 47

3.3.2 菲涅耳衍射变换函数的抽样原则 48

3.3.3 夫琅和费衍射变换函数的抽样原则 48

3.3.4 引入折射聚焦元件后变换函数的抽样原则 49

3.3.5 变换函数的近似抽样 51

3.4 空间延拓分量的理论分析 51

3.4.1 传播过程的线性空间滤波特性 51

3.4.2 空间延拓分量的形成机理 52

3.4.3 空间延拓分量的无影响条件 53

3.5 精细化设计时抽样原则的仿真验证 54

3.5.1 设计实例的对象模型 55

3.5.2 性能评价参数的定义 57

3.5.3 空间延拓分量交叠现象的仿真验证 57

3.5.4 非抽样点上失真现象的仿真验证 60

3.6 精细化设计时的综合考虑 65

第4章 GS算法设计衍射光学元件 66

4.1 基本GS算法 66

4.1.1 基本原理 66

4.1.2 衍射和逆衍射积分公式 70

4.1.3 分析讨论 71

4.2 Adaptive-Additive算法 72

4.2.1 基本原理 72

4.2.2 收敛性证明 73

4.3 GS算法设计实例 76

4.3.1 二维衍射光学束匀滑器的设计 76

4.3.2 二维衍射光学十字叉发生器的设计 80

4.4 其他GS改进算法 82

4.4.1 ST改进算法 82

4.4.2 相位混合算法 83

4.4.3 加权串行迭代算法 84

第5章 杨—顾算法设计衍射光学元件 87

5.1 杨—顾算法 87

5.1.1 基本原理 87

5.1.2 迭代算法 91

5.1.3 一维杨—顾算法 92

5.2 加权杨—顾算法 93

5.2.1 基本原理 94

5.2.2 收敛性证明 95

5.3 杨—顾算法设计实例 99

5.3.1 设计对象及参数设置 99

5.3.2 普通杨—顾算法的设计结果 99

5.3.3 加权杨—顾算法的设计结果 101

5.3.4 迭代收敛速率曲线 103

5.4 其他杨—顾改进算法 105

5.4.1 ST改进算法 106

5.4.2 ST-输入／输出联合改进算法 106

第6章 模拟退火算法设计衍射光学元件 108

6.1 基本模拟退火算法 108

6.1.1 退火过程的物理图像 108

6.1.2 Metropolis准则 109

6.1.3 模拟退火算法的运行流程 110

6.1.4 模拟退火算法的退火方式 111

6.1.5 模拟退火算法的改进 113

6.2 模拟退火算法设计Dammann光栅 114

6.2.1 Dammann光栅型分束器 114

6.2.2 Dammann光栅的设计原理 114

6.2.3 设计实例 117

第7章 遗传算法设计衍射光学元件 124

7.1 基本遗传算法 124

7.1.1 遗传算法的结构要素 124

7.1.2 遗传算法的伪代码描述 125

7.1.3 遗传算法的特点 126

7.2 遗传算法的基本实现技术 127

7.2.1 染色体编码方法 128

7.2.2 适应度函数 129

7.2.3 选择算子 131

7.2.4 交叉算子 131

7.2.5 变异算子 133

7.2.6 遗传算法运行参数的确定 134

7.2.7 遗传算法的改进 135

7.3 遗传算法设计实例 136

第8章 衍射光学透镜及折衍混合成像系统 137

8.1 小数值孔径衍射光学透镜的设计公式 137

8.1.1 衍射透镜 137

8.1.2 谐衍射透镜 140

8.1.3 近似成立条件 143

8.2 大数值孔径衍射光学透镜的设计公式 144

8.2.1 衍射透镜 145

8.2.2 谐衍射透镜 146

8.3 衍射光学透镜的初级像差和色差 147

8.3.1 衍射光学透镜初级像差公式 147

8.3.2 衍射光学透镜色差特性 150

8.4 衍射光学透镜的热差特性 152

8.5 折衍混合成像系统的设计 155

8.5.1 折衍混合光学系统简介 155

8.5.2 折衍混合成像系统的设计方法 156

8.5.3 折衍混合遥感系统的设计实例 157

第9章 亚波长结构及等效介质理论 162

9.1 亚波长结构 162

9.2 一维亚波长结构的等效介质理论 163

9.2.1 一维亚波长结构的零级等效近似 163

9.2.2 一维亚波长结构的二级等效近似 166

9.2.3 材料折射率随波长变化的经验公式 167

9.2.4 等效折射率的仿真分析 168

9.2.5 一维亚波长结构的周期阈值 170

9.3 二维亚波长结构的等效介质理论 171

9.3.1 二维矩形柱状亚波长结构的近似分析 171

9.3.2 二维亚波长结构的周期阈值 174

第10章 严格耦合波理论 176

10.1 引言 176

10.2 一维周期结构的严格耦合波分析 177

10.2.1 一维表面浮雕结构 177

10.2.2 任意偏振入射光 177

10.2.3 TE偏振入射光 191

10.2.4 TM偏振入射光 195

10.3 二维周期结构的严格耦合波分析 199

10.3.1 二维表面浮雕结构 199

10.3.2 严格矢量解描述 201

10.3.3 数值求解 205

第11章 FDTD分析衍射光学器件特性 207

11.1 引言 207

11.2 直角坐标系中的FDTD差分公式 209

11.2.1 三维FDTD差分公式 209

11.2.2 二维FDTD差分公式 219

11.3 圆柱坐标系中的FDTD差分公式 225

11.3.1 三维FDTD差分公式 225

11.3.2 二维FDTD差分公式 235

第12章 亚波长结构器件设计及其特性分析 243

12.1 亚波长结构抗反射光栅的设计 243

12.1.1 设计背景 243

12.1.2 设计方法 244

12.1.3 设计结果及分析 246

12.1.4 一维多层光栅抗反射设计与特性分析 249

12.2 亚波长结构消色散λ/4波片的设计 250

12.2.1 设计背景 250

12.2.2 设计方法 251

12.2.3 设计结果及分析 255

12.3 亚波长结构偏振分束器设计 256

12.3.1 设计背景 256

12.3.2 设计方法 257

12.3.3 设计结果及分析 259

12.4 二元亚波长衍射微透镜的设计 262

12.4.1 设计方法 262

12.4.2 BOR FDTD分析 264

12.4.3 计算结果 265

12.5 高衍射效率亚波长结构Dammann光栅的设计 267

12.5.1 设计方法 267

12.5.2 优化设计结果 271

12.5.3 设计结果分析 272

附录A 逆衍射积分公式的推导 284

A.1 菲涅耳逆衍射积分公式 284

A.2 夫琅和费逆衍射积分公式 285

A.3 圆对称形式菲涅耳逆衍射积分公式 286

A.4 圆对称形式夫琅和费逆衍射积分公式 287

附录B 衍射透镜及谐衍射透镜透过率函数级数展开形式的推导 289

B.1 连续结构衍射及谐衍射透镜 289

B.2 量化结构衍射及谐衍射透镜 290

参考文献 293