人工微納
光學(xué)結(jié)構(gòu)是指特征尺寸在微米甚至
納米級(jí)別的一類新型光學(xué)器件。相比于傳統(tǒng)的折、反射光學(xué)元件，微納光學(xué)元件在波面轉(zhuǎn)換、偏振控制、光學(xué)抗反射、表面拉曼散射增強(qiáng)等方面具有許多獨(dú)特的光學(xué)性能，并由此產(chǎn)生了一系列新的應(yīng)用，包括：
, W&::/2<7 gK"E4{ y_@ 1. 二元光學(xué)元件在波面轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用 0RGSv!w 
ejPK-jxCa/ 圖1. (a)二元光學(xué)元件用于光束整形 (b)二元光學(xué)元件用于復(fù)雜曲面干涉檢測
在
激光的廣泛應(yīng)用中,對(duì)激光的波面、光強(qiáng)分布、模式及光斑的形狀與大小等提出了多種特殊的要求。例如：在激光加工和熱處理中，為實(shí)現(xiàn)一次成型的高效率加工，需要使用形狀各異（矩形、環(huán)狀或直線形）的激光光斑；在強(qiáng)激光光學(xué)中，對(duì)激光光斑的要求極其苛刻，要求微小光斑不均勻性小于5%，衍射效率大于90%，且光斑呈無旁瓣的平頂分布。二元光學(xué)元件是基于光波的衍射理論，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并用微納制作工藝，在片基上刻蝕產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)臺(tái)階深度的浮雕結(jié)構(gòu)，行成純位相、同軸再現(xiàn)、具有極高衍射效率的一類衍射光學(xué)元件，可廣泛用于如圖1. (a)所示的激光光束整形。
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@(AE( 在
光學(xué)系統(tǒng)中采用高設(shè)計(jì)自由度的復(fù)雜曲面，不僅能夠使系統(tǒng)獲得更加優(yōu)異的光學(xué)性能(例如矯正像差、改善像質(zhì)、擴(kuò)大視場、增大作用距離等)，而且還能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本、減輕重量。復(fù)雜曲面所具有的多變的面型雖然為
光學(xué)設(shè)計(jì)提供了更大的自由度，但同時(shí)也給檢測帶來了極大的困難。對(duì)于面形精度在亞微米量級(jí)的超精密光學(xué)自由曲面，目前還沒有一種方法能快速、準(zhǔn)確地對(duì)其面形做出正確的評(píng)價(jià)。二元光學(xué)元件能夠靈活地產(chǎn)生任意形狀的波面，如圖1. (b)所示，若將其作為補(bǔ)償器放入普通干涉儀，可產(chǎn)生高質(zhì)量的復(fù)雜比較波面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)非球面、自由曲面的高精度干涉檢測。
! 8i[.EAT p4' Qki8Hd 2. 亞波長光柵在偏振成像中的應(yīng)用 $P%b?Y/ +oMe\wYR$r
d365{ 光波蘊(yùn)含的信息十分豐富，包括振幅、頻率、相位及偏振。相比于前三類信息，偏振信息的利用相對(duì)滯后。究其原因，主要是因?yàn)樗刑綔y器，包括人眼，均無法對(duì)光波的偏振態(tài)做出響應(yīng)（偏振盲的）。隨著光信息科學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)光波偏振所攜帶信息的挖掘、利用成為該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，而利用偏光器件準(zhǔn)確探測入射光波的偏振態(tài)是所有偏振信息利用的基礎(chǔ)。通過研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光柵的周期小于入射光波長時(shí)，光柵將對(duì)入射光的偏振敏感，而且這種偏振敏感是由光柵周期的亞波長性決定的，而與所選材料是否具有光學(xué)各向異性無關(guān)。因此，通過在各向同性材料上制作亞波長結(jié)構(gòu)，可以將該材料變?yōu)楦飨虍愋裕`活地應(yīng)用于各光學(xué)波段。
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Qk.:b 圖2 配備多方向深亞波長金屬光柵偏振片的偏振成像系統(tǒng)及其偏振圖像
深亞波長納米金屬光柵的特征尺寸，包括周期、縫寬和柵層高度，遠(yuǎn)小于入射光波長，其特點(diǎn)是對(duì)入射光的偏振態(tài)十分敏感。如圖2所示，在紅外熱像儀中，將深亞波長金屬光柵的線柵方向做成0o、45o、90o、和135o，并按照1：1與微
透鏡陣列集成，便可同時(shí)獲得四個(gè)偏振方向的輻射信息，滿足實(shí)時(shí)偏振成像的要求。偏振成像在軍事防偽裝中有著重要的應(yīng)用：圖2下方三幅圖分別是對(duì)地航拍的可見光圖像、紅外圖像和紅外偏振圖像。從圖中可以看出：對(duì)于做了顏色偽裝的卡車，隱蔽在樹蔭下的暗背景中，可見光圖像無法識(shí)別；卡車沒有啟動(dòng)，與周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱差，紅外圖像也很難識(shí)別；以金屬材料為主體的卡車反射或輻射光波的偏振度與地物背景反射或輻射光波的偏振度具有明顯的差異，因此在紅外偏振圖像中可以清楚地觀察到偽裝在樹蔭下的卡車。
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