微结构光学

本文介绍了上海光机所信息光学实验室在微结构光学的基础理论、设计优化以及应用开发等方面所进行的一些研究工作。     

基于白光信息处理的光学/数字彩色摄影术

报告了基于白光信息处理的光学／数字彩色摄影技术的研究进展,包括编码相机、彩色图像解码仪、数字解码听 加窗Ｆｏｕｒｉｅｒ变换算法和整数Ｆｏｕｒｉｅｒ变换、解码图像的色度校正以及衍射零级融合术等,由于本技术兼备光学与数字技术的特点,具有大信息量、利用网络传输、便于档案存储和色饱和度增强的特点,因此首先在航空摄影和地面远距离特殊摄影中得到重要应用。     

光学系统的微小化三维集成

本文介绍作者提出的基于晶体光学原理的三维光学系统微小化集技术的进展，着重介绍光折变晶体的微系统单块集成技术，即在一块铌酸锂晶体中空间选择性地生成各种所需的局域全息光学元件或功能元件，讨论所发展的新的非挥发光折变全息的机理、材料、方法和应用，以及实现大规模光交换开关矩阵的可能。     

有机非线性光学晶体DAST及其在太赫兹领域的应用研究进展

主要介绍DAST晶体的基本结构和物理性能参数,几种不同生长方法及基于有机DAST晶体通过光学差频法产生THz波.重点研究了基于DAST晶体利用光学差频法产生太赫兹(THz)波过程中,泵浦光源的双波长调谐范围及光束质量对THz调谐范围及转换效率的影响,及其利用光整流法产生THz波的过程中,泵浦光(飞秒激光的波长、脉冲宽度和能量)对THz脉冲输出能量和转换效率的影响.综合分析影响THz辐射性能的因素及其获得大尺寸高质量晶体的主要挑战.本课题组在系统分析利用自发成核、斜板、籽晶和双温区法生长晶体优缺点的基础上,利用自发成核结合顶部籽晶法生长出高质量、尺寸为25 mm×22 mm×2 mm的晶体.下一步计划从晶体生长和泵浦光束的质量两方面改善THz输出能量及光-THz波转换效率.     

光学双重自变换函数

使用Ｄｉｒａｃ梳状函数和可Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的周期偶函数构造数学上严格的自Ｆｏｕｒｉｅｒ－自Ｆｒｅｓｎｅｌ函数，给出数学证明和例子，随后给出光学上能实现的这种双重自变换函数。     

光学邻近效应矫正(OPC)技术及其应用

随着集成电路设计和制造进入超深亚微米（VDSM）阶段,特征尺寸已经接近甚至小于光刻工艺中所使用的光波波长,因此光刻过程中,由于光的衍射和干涉现象,实际硅片上得到的光刻图形与掩膜版图形之间存在一定的变形和偏差,光刻中的这种误差直接影响电路性能和生产成品率.为尽量消除这种误差,一种有效的方法是光学邻近效应矫正（OPC）方法.目前由于OPC矫正处理时间过长,产生的文件大小呈指数级增长,使掩膜版的制造成本成倍地增加.文中首先针对OPC矫正技术进行了深入研究,提出了具有图形分类预处理功能的自适应OPC矫正技术,将芯片图形按其对性能的影响分为关键图形与一般图形,对两类图形采用不同的容差,提高了OPC处理效率.其次,提出并实现了图形分段分类的基于模型的OPC矫正算法,在保证矫正精度的同时提高了矫正的效率.提出了具有通用性、简洁性和全面性的OPC矫正规则,在此基础上实现了规则库的自动建立和规则库的查找与应用,实现了效率高、扩展性强的基于规则的掩膜版矫正算法.算法对规则数据进行有效地描述、存储和处理,提高了光刻矫正技术实际应用效率.第三,设计实现了高效、高精度的光学邻近效应矫正系统MR-OPC,系统综合应用了基于规则的OPC矫正技术和基于模型的OPC矫正技术,很好地解决了矫正精度和矫正效率之间的矛盾,取得了最佳的矫正优化结果.     

三掺杂化学计量比钽酸锂晶体的非挥发光存储性能

采用顶部籽晶助熔剂法生长了三掺杂近化学计量比Mg:Fe:Mn:Li Ta O3晶体,通过红外吸收光谱和居里温度研究了晶体缺陷结构.以蓝色激光为光源,获得了优异的光折变性质;采用多波长技术,研究了单晶的非挥发全息存储性能,得到了较高的固定衍射效率和灵敏度.蓝光具有较高能量,足以激发深(Mn)浅(Fe)陷阱中心的空穴,这大大提高了蓝光光折变性质和非挥发存储能力.在蓝色激光下,Mg2+不再是光损伤离子,而可以提高光折变特性.采用476 nm激光记录光栅,633 nm激光读取,在2.0 mol%Mg2+掺杂的晶体中获得了62.5%的固定衍射效率,非挥发全息存储的灵敏度提高到0.335 cm/J.     

微细加工光学技术的发展

本文简要介绍了微细加工光学技术的发展 和“微细加工光学技术国家重点实验室”及其发展目标、研究方向和目前的主要研究领域。     

计算机控制光学表面成形中的频域分析

计算机控制光学表面成形（CCOS）工艺容易在光学零件表面产生中高频误差,从而影响光学系统的性能.为了对中高频误差进行有效控制,以卷积积分模型为基础,主要考虑加工过程的材料去除有效性,提出了修形能力值、材料去除有效率等概念,定量分析了CCOS工艺过程对不同频率成份误差的修正能力.分析得出CCOS工艺过程的材料去除有效率取决于工艺过程的去除函数,正好等于去除函数傅里叶变换的归一化幅值谱.最后,利用离子束成形工艺进行了3个正弦函数面形的刻蚀试验,对理论进行了验证.本文所采用的方法和得出的结论为分析和优化CCOS工艺提供了强有力的数学支持.     

β-Ga2O3:Cr单晶体的浮区法生长及光学特性

利用浮区法生长得到β-Ga2O3：Cr单晶体．在室温下测试了β-Ga2O3：Cr单晶体的吸收光谱和发射光谱．通过吸收光谱计算了晶体场分裂系数Dq和Racah系数，得到10Dq/B=23．14，表明Cr^3＋在β-Ga2O3晶体中处于较弱的晶体场β-Ga2O3：Cr单晶体经高温退火后Cr^3＋的发射明显加强，而绿光的发射减弱．采用420nm波长激发，在691nm可得到强而宽的特征发射，此发射对应于Cr^3＋的^4T2→^4A2跃迁．     

虚角度分数Fourier变换及其光学实现

提出虚角度分数Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的概念，证明积分的存在性和可加性运算法质，给出其实际应用和它的光学实现，使分数Ｆｏｕｒｉｅｒ变换扩展到负透镜上和凸透镜的２倍焦距以外的区域上，最后给出一个统一的描述公式。     

立方烷电子结构和光学性质的研究

为了全面了解立方烷的性质,本文利用CASTEP程序包基于密度泛函理论的交换关联函数（GGA）方法对立方烷的电子结构和光学性质进行研究。在计算的过程中首先优化立方烷的晶体结构并与实验值进行对比,结果符合很好。立方烷的能带带隙为5．453CV,吸收系数最大峰值为2．509×10^5cm^-1.然后又研究光学性质的吸收谱,反射谱和能量损失函数。     

基于光学衍射的纳米尺度深度重建

传统的离焦深度恢复方法（depth from defocus,DFD）在计算离焦图像的模糊程度时,均是基于几何光学成像原理,并没有考虑光波衍射对图像模糊的影响.然而,衍射现象是波的基本特性,以针孔成像为基础的光学成像系统中必然存在光波衍射.本文基于光学衍射和图像模糊机理,提出了一种精确的单目视觉全局景物3D深度信息获取方法.首先,详细分析了光学成像系统中的菲涅耳衍射机理,建立了衍射模糊与景物深度之间的关系曲线;然后,采用曲线拟合的方式建立了衍射模糊的模糊程度（点扩散函数扩散程度）与景物深度的数学关系模型,结合热辐射和图像相对模糊原理,构建了衍射模糊热辐射方程组,并把衍射模糊深度获取问题转换成一个深度信息动态优化问题.最后,使用标准的纳米栅格模板验证了衍射模糊深度重建算法在纳米尺度相对深度和绝对深度重建中的有效性和精确性.     

圣迪亚国家实验室被选为固态光学研发中心

美国能源部秘书Samuel W.Bodman日前宣布圣迪亚国家实验室作为新的固态光学国家研发中心。圣迪亚将会引导关键的固态光学研究,与有关的研究项目和其他国家实验室进行合作。能源部将会为7项固态光学研究计划提供500万美元的资助,包括其中260万美元投入到圣迪亚的四个项目中,Bodm     

全固态激光及非线性光学频率变换技术

在众多的激光器件中,由半导体激光器泵浦的固体激光器（LDPSSL,简称全固态激光器）由于其转换效率高、光束质量好、工作稳定可靠,体积小、重量轻、寿命长,工作介质覆盖的波段广及运转方式多样,再加上与非线性光学频率变换技术相结合,可实现多种波长的动转,致使这类激光器具有逐步取代气体,游人本及传统固激光器的可能性,因此这类器件已经成为当前激光技术发展的主要方向,本文综述了全国态激光及非线性光学频率变换技术的发展及在激光与光电子领域中的地位与作用,概述了它们的基本理论,特点及关键技术,展示了其广阔的应用前景。     

尺度效应及几何光学模型用于尺度纠正

是“非同温黑体表面上普朗克定律的尺度效应”一文的续篇．一方面更详细地举例说明了尺度效应的一般性,并进一步将Ｐｌａｎｃｋ定律的尺度纠正推广到一般的非同温三维结构非黑体表面,对其热辐射在像元尺度上的方向性和波谱特征建立了概念模型．这一概念模型也是李．Ｓｔｒａｈｌｅｒ．Ｆｒｉｅｄｌ概念模型的进一步完善和逻辑发展,即用像元尺度上的统计参数,即组分温度的方差及其与材料发射率的协方差来纠正 Ｐｌａｎｃｋ定律,而不再要求使用亚像元尺度上的参数,实现了前文建议两个进一步工作中的第１个．     

利用有限Fourier系数算法求解光学制造中误差校正输入数据

光学自由曲面是一类极难制造的异形曲面, 采取计算机控制光学表面成型技术制造时, 元件表面材料去除量由单位去除函数与输入参量(驻留时间)之间的卷积分决定. 求解加工驻留时间, 一般利用低通滤波器或迭代的方法借助于反卷积算法, 但是结果中存在的近似解将会影响加工稳定性. 本研究基于有限Fourier系数算法构建输入参量求解模型, 可以有效提高参量求解精度并保证加工过程的连续稳定. 通过对影响计算机控制光学表面成型工艺参数的仿真分析, 对求解模型实施评价, 实验结果验证这一方法可以指导高精度自由曲面光学元件的超精密制造.     

高精度光学元件控时磨削方法研究

高精度、大口径光学元件的需求量与日俱增,传统铣磨-研抛-修形工艺路线因其较低的加工效率面临挑战.为提高光学元件制造效率,使其能快速达到最终修形工序的入口条件,本文将柔性砂带磨削工具引入光学确定性加工.通过研究光学元件控时磨削材料去除机理,提出一种新的材料去除方法,通过控制关键加工参数,成功获得了高效可控的去除函数.根据理论分析搭建了光学元件控时磨削样机,在一块200 mm×200 mm的平面微晶玻璃上进行控时磨削实验.结果表明面形误差由2.31μm PV、0.38μm RMS收敛至1.76μm PV、0.27μm RMS,过程用时仅53 min,效率为同尺寸磁流变抛光轮的10倍以上.控时磨削在修形同时可将微晶玻璃的毛面迅速抛亮,满足波面干涉测量要求.结果验证了光学元件高效控时磨削方法误差收敛的可行性,有望大幅缩短最终修形工艺前的研磨抛光加工周期.     

β-Ga2O3:Cr单晶体的浮区法生长及光学特性

利用浮区法生长得到β-Ga₂O₃:Cr单晶体，在室温下，测试了β-Ga₂O₃: Cr单晶体的吸收光谱和发射光谱。通过吸收光谱计算了晶体场分裂系数Dq和Racah系数，得到10D_q/B=23.14，表明Cr^₃+在β-Ga₂O₃晶体中处于较弱的晶体场。β-Ga₂O₃: Cr 单晶体经高温退火后Cr³⁺的发射明显加强，而绿光的发射减弱。采用420 nm波长激发，在691nm可以得到强而宽的特征发射，此发射对应于Cr³⁺的⁴T₂→⁴A₂跃迁。     

光学显微集成成像三维图像快速获取技术

介绍一种新颖的光学显微集成成像三维信息获取技术．实验证明该技术相对于其他三维显微技术具有结构简单无需相干光源、能实时获取样品的三维表面结构等特点．该技术对光学显微成像及其三维显示具有广泛的应用前景．