对于单一波长及衍射级次而言,衍射光学元件的工作原理可以抽象理解为局部光栅作用。衍射光学元件遵从光栅衍射基本原理。如图12-1所示,衍射元件局部区域的光栅常数,随空间位置而变化,记为g(x,y)。可以通过改变g(x,y)实现控制出射光线方向的目的,且自由度与光学非球面基本一致。然而,由前述章节可知,非球面通过控制面形矢高实现光线方向控制,而衍射光学元件对于面形矢高并无特殊要求。由图可见,衍射仅发生在微结构薄层。
图12-1 衍射光学元件工作原理局部示意图
对于传统折射面来说,入射光线经过折射后出射光线的传播方向是明确的,即“一入一出”。对于衍射面来说,在限定单波长入射光线情况下,出射光线的传播形式与衍射面的具体形式密切相关。如果衍射面由闪耀光栅结构组成,那么衍射光线基本还是可以认为沿某一特定闪耀角方向传播,与前述类似,依旧为“一入一出”。如果衍射面由二元结构组成,那么会产生多级衍射现象,表现为“一入多出”。如图12-2所示为二元光学元件多级衍射示意图。在此作用下,由二元结构构成的轴对称衍射光学元件,将产生轴上多焦点汇聚的现象,每一个焦点对应一个不同的衍射级次。由于不同衍射级次之间存在衍射效率差异,不同焦点之间具有强度差异。在实际成像光学系统应用中,通常仅需要指定级次光,因此需要对多级衍射效率进行控制。
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图12-2 光栅多级衍射示意图
从波动光学角度来说,光学元件在光波传输中起到附加相位的作用。这种附加相位可用空间分布φ(x,y)描述,每个光学元件相位附加量具有不同特征,其决定了出射光线传播方向。衍射光学元件具有同样的特点,φ(x,y)可以理解其全局相位分布,由局部微观结构决定。在光学设计阶段,可以根据目标全局相位函数φ(x,y),经2π相位间隔包裹获取衍射光学元件微观局部周期性结构,图12-3所示为相位包裹过程示意图。
图12-3 相位分布及包裹示意图
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