留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

用于空间望远镜的大口径高衍射效率薄膜菲涅尔衍射元件

王若秋 张志宇 薛栋林 张学军

王若秋, 张志宇, 薛栋林, 张学军. 用于空间望远镜的大口径高衍射效率薄膜菲涅尔衍射元件[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(9): 920001-0920001(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0920001
引用本文: 王若秋, 张志宇, 薛栋林, 张学军. 用于空间望远镜的大口径高衍射效率薄膜菲涅尔衍射元件[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(9): 920001-0920001(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0920001
Wang Ruoqiu, Zhang Zhiyu, Xue Donglin, Zhang Xuejun. Large-diameter high-efficiency diffractive Fresnel membrane elements for space telescope[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(9): 920001-0920001(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0920001
Citation: Wang Ruoqiu, Zhang Zhiyu, Xue Donglin, Zhang Xuejun. Large-diameter high-efficiency diffractive Fresnel membrane elements for space telescope[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(9): 920001-0920001(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0920001

用于空间望远镜的大口径高衍射效率薄膜菲涅尔衍射元件

doi: 10.3788/IRLA201746.0920001
基金项目: 

国家自然科学基金(51305422);国家重点基础发展研究计划(2011CB013205)

详细信息
    作者简介:

    王若秋(1990-),女,博士生,主要从事衍射光学元件设计与加工方面的研究。Email:wruoq0725@foxmail.com

  • 中图分类号: O439

Large-diameter high-efficiency diffractive Fresnel membrane elements for space telescope

  • 摘要: 为满足空间成像领域对大口径、轻量化、高衍射效率光学衍射元件的需求,研究了薄膜衍射元件微结构设计及制作工艺。应用Zemax光学软件设计了320 mm口径,F/#100的四台阶薄膜菲涅尔衍射元件,并利用Matlab软件将连续位相结构转化为离散化台阶分布。研究了薄膜菲涅尔衍射元件的制作技术,选用透明聚酰亚胺薄膜作为基底材料,以石英玻璃作为复制模板,通过多次旋涂的方式实现了厚度为20 m的衍射薄膜制作。应用Solidworks软件设计并加工薄膜支撑装置。测量复制基板及薄膜对应区域的微结构,实验结果表明条纹线宽转移偏差小于1.3%,台阶深度偏差小于8.6%。搭建光路测试在波长632.8 nm处衍射效率平均值为71.5%,达到了理论值的88%。实验结果表明,制作的薄膜重量轻,复制精度高,并且具有高衍射效率,满足空间望远镜的应用要求。
  • [1] Guo Linghua. Preliminary research on development of foreign GEO remote sensing satellites[J]. Spacecraft Recovery Remote Sensing, 2010, 31(6):23-30. (in Chinese) 郭玲华. 国外地球同步轨道遥感卫星发展初步研究[J].航天返回与遥感, 2010, 31(6):23-30.
    [2] Roderick A, Hyde Eyeglass. Very large aperture diffractive telescopes[J]. Applied Optics, 1999, 38(19):4198-4212.
    [3] Jerald A Britten, Shamusundar N Dixit. Large-aperture fast multilevel Fresnel zone lenses in glass and ultrathin polymer films for visible and near-infrared imaging applications[J]. Applied Optics, 2014, 53(11):2313-2316.
    [4] Pual D Atcheson, Chris Stewart, Jeanette Domber, et al. MOIRE-initial demonstration of a transmissive diffractive membrane optic for large lightweight optical telescopes[C]//Proceedings of SPIE, 2012, 8442:844221.
    [5] Andersen G. Large optical photon sieve[J]. Optics Letters, 2005, 30(22):2976-2978.
    [6] Andersen G. Membrane photon sieve telescopes[J]. Applied Optics, 2010, 49(33):6391-6394.
    [7] Zheng Yaohui, Ruan Ping, Cao Shang. Deployable structure design and analysis for space membrane diffractive telescope[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(1):0118004. (in Chinese) 郑耀辉, 阮萍, 曹尚. 空间薄膜衍射望远镜展开结构设计与分析[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(1):0118004.
    [8] Liu Minzhe, Liu Hua, Xu Wenbin, et al. Membrane photo sieve for space telescope[J]. Optics and Precision Engineering, 2014, 22(8):2127-2134. (in Chinese) 刘民哲, 刘华, 许文斌, 等. 用于空间望远镜的膜光子筛[J]. 光学精密工程, 2014, 22(8):2127-2134.
    [9] Zhang Nan, Lu Zhenwu, Li Fengyou. Optical design of diffractive telescope[J]. Infrared and Laser Engineering, 2007, 36(1):106-108. (in Chinese) 张楠, 卢振武, 李凤有. 衍射望远镜光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2007, 36(1):106-108.
    [10] Zhang Jian, Li Mengjuan, Yin Ganghua, et al. Large-diameter membrane Fresnel diffraction elements for space telescope[J]. Optics and Precision Engineering, 2016, 24(6):1289-1296. (in Chinese) 张健, 栗孟娟, 阴刚华,等. 用于太空望远镜的大口径薄膜菲涅尔衍射元件[J]. 光学精密工程, 2016, 24(6):1289-1296.
    [11] Zhang Y, Wang B. Transmissive diffractive membrane optic for large aperture lightweight optical telescope[C]//SPIE, 2015, 9622:96220G.
    [12] Jin Guofan, Yan Yingbai, Wu Minxian. Binary Optics[M]. Beijing:National Defence Industry Press, 1998. (in Chinese) 金国藩, 严瑛白, 邬敏贤. 二元光学[M]. 北京:国防工业出版社, 1998.
    [13] Shi Shunxiang, Wang Xueen, Liu Jinsong. Physical Optics and Applied Optics[M]. Xi'an:Xidian University Press, 2008. (in Chinese) 石顺祥, 王学恩, 刘劲松. 物理光学与应用光学[M]. 西安:西安电子科学技术大学出版社, 2008.
    [14] Hufnagel R E. Achromatic holographic optical system:US, US 4550973 A[P]. 1985-01-13.
    [15] Liu Hua, Lu Zhenwu, Yan Yong. Large aperture diffractive telescope tolerance analysis and measurement[J]. Acta Photonica Sinica, 2013, 42(10):1203-1207. (in Chinese) 刘华, 卢振武, 闫勇. 大口径衍射望远系统公差分析及测量[J]. 光子学报, 2013, 42(10):1203-1207.
    [16] Maik Rahlves, Maher Rezem. Flexible, fast, and low-cost production process for polymer based diffractive optics[J]. Optics Express, 2015, 23(3):3614-3622.
    [17] Zhao Longbo, Zhang Zhiyu, Zhu Deyan, et al. Fabrication of high precision computer generated hologram for aspheric surface testing by laser-direct writing[J]. Laser Optoelectronics Progress, 2014, 51(11):1-7. (in Chinese) 赵龙波, 张志宇, 朱德燕, 等. 用于非球面检验的激光直写高精度计算全息图制作研究[J].激光与光电子学进展, 2014, 51(11):1-7.
    [18] Li Fengyou, Lu Zhenwu, Xie Yongjun, et al. Photo lithographic fabrication techniques by using defocusing laser direct writing[J]. Chinese Journal of Lasers, 2002, 29(9):850-854. (in Chinese) 李凤有, 卢振武, 谢永军, 等. 离焦激光直写光刻工艺研究[J]. 中国激光, 2002, 29(9):850-854.
    [19] Kuttner P. Image quality of optical systems for truncated Gaussian laser beams[J]. Optical Engineering, 1986, 25(1):180-183.
    [20] Li Fengyou, Lu Zhenwu, Xie Yongjun, et al. Photo lithographic fabrication of large curved hologran by laser writer[J]. Optics Express, 2004, 12(9):1810.
    [21] Liao Bo, Zhang Bufeng, Wang Wenjing, et al. Research progress of functional polyimide film[J]. Insulating Materials, 2013, 46(5):21-24. (in Chinese) 廖波, 张步峰, 王文进, 等. 功能型聚酰亚胺薄膜研究进展[J]. 绝缘材料, 2013, 46(5):21-24.
    [22] Ren Xiaolong, Dong Zhanli, Zhang Junli, et al. Polyimide film product and its application development at abroad[J]. Insulating Materials, 2013, 46(3):28-32. (in Chinese) 任小龙, 董占林, 张俊丽, 等. 国外聚酰亚胺薄膜产品及应用进展[J]. 绝缘材料, 2013, 46(3):28-32.
    [23] Yang Liangliang, Cui Qingfeng, Liu Tao, et al. Measurement of diffraction efficiency for diffractive optical elements[J]. Acta Optica Sinica, 2012, 32(4):151-156. (in Chinese) 杨亮亮, 崔庆丰, 刘涛, 等. 衍射光学元件衍射效率的测量[J]. 光学学报, 2012, 32(4):151-156.
  • [1] 孙熠璇, 罗世魁, 高超, 陈芳, 宗肖颖, 杜建祥, 刘子嘉, 白杰.  大口径空间反射镜的重力卸载优化方法 . 红外与激光工程, 2021, 50(1): 20200103-1-20200103-9. doi: 10.3788/IRLA20200103
    [2] 张凤芹, 窦莲英, 庞寿成, 李庆林.  空间遥感相机大口径变方位反射镜设计 . 红外与激光工程, 2020, 49(7): 20200008-1-20200008-7. doi: 10.3788/IRLA20200008
    [3] 吴少强, 冯向华, 卫正统, 吴天昊.  聚合物波导光栅耦合器的衍射场仿真 . 红外与激光工程, 2019, 48(4): 422001-0422001(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0422001
    [4] 王小勇, 张博文, 郭崇岭, 刘湃.  3 m口径空间反射镜的参数优化 . 红外与激光工程, 2019, 48(S1): 205-210. doi: 10.3788/IRLA201948.S118002
    [5] 熊玲, 罗霄, 戚二辉, 张峰, 薛栋林, 张学军.  摆臂式轮廓测量不同母线条数的敏感性分析 . 红外与激光工程, 2018, 47(2): 217003-0217003(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0217003
    [6] 张博文, 王小勇, 赵野, 杨佳文.  天基大口径反射镜支撑技术的发展 . 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1113001-1113001(9). doi: 10.3788/IRLA201847.1113001
    [7] 杨亮亮.  衍射光学元件斜入射衍射效率的测量 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 117003-0117003(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0117003
    [8] 秦侠格, 姬忠鹏, 徐映宇, 舒嵘.  双光路互参考高精度AOTF衍射效率测试方法及装置 . 红外与激光工程, 2017, 46(4): 417001-0417001(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0417001
    [9] 张鑫, 罗霄, 闫力松, 张峰, 张学军.  三角机加工大口径离轴抛物面技术 . 红外与激光工程, 2016, 45(8): 819001-0819001(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0819001
    [10] 马泽斌, 康福增, 王昊.  双层BOE加工误差对衍射效率的影响分析 . 红外与激光工程, 2016, 45(9): 918001-0918001(7). doi: 10.3788/IRLA201645.0918001
    [11] 李金鹏, 陈磊, 方波, 朱文华.  动态干涉仪的位相光栅衍射效率研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2696-2701.
    [12] 冷雁冰, 董连和, 孙艳军.  1×11亚波长结构Dammann光栅的研制 . 红外与激光工程, 2014, 43(3): 812-817.
    [13] 李响, 张晓辉.  基于五棱镜的大型平行光管焦面监测技术及误差修正方法 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2251-2256.
    [14] 周峰, 郑国宪, 李岩, 姚罡.  双谱段Offner光谱成像仪设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1858-1862.
    [15] 佟惠原, 马勇辉, 逯祎, 朱小芳.  大口径空间滤波调制红外光谱仪定标方法 . 红外与激光工程, 2013, 42(3): 569-573.
    [16] 姜凯, 周泗忠, 王艳彬, 段晶, 赵睿, 张恒金.  大口径离轴折反式中波红外连续变焦系统设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(9): 2467-2471.
    [17] 王伟, 徐敏, 李洪玉, 于国域.  大口径导光板抛光及其功率谱密度分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(4): 982-987.
    [18] 孙婷, 张宣智, 常伟军, 李元, 胡博, 郭小岗, 杨华梅, 陈秀萍.  红外宽波段双层谐衍射光学系统的设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(4): 951-954.
    [19] 殷可为, 黄智强, 林妩媚, 邢廷文.  衍射光学元件设计参数对杂散光的影响 . 红外与激光工程, 2013, 42(11): 3059-3064.
    [20] 葛建平, 沈为民, 刘全, 陈明辉.  锯齿槽闪耀光栅制作误差对衍射效率的影响 . 红外与激光工程, 2013, 42(6): 1557-1561.
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  267
  • HTML全文浏览量:  26
  • PDF下载量:  105
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-01-13
  • 修回日期:  2017-02-23
  • 刊出日期:  2017-09-25

用于空间望远镜的大口径高衍射效率薄膜菲涅尔衍射元件

doi: 10.3788/IRLA201746.0920001
    作者简介:

    王若秋(1990-),女,博士生,主要从事衍射光学元件设计与加工方面的研究。Email:wruoq0725@foxmail.com

基金项目:

国家自然科学基金(51305422);国家重点基础发展研究计划(2011CB013205)

  • 中图分类号: O439

摘要: 为满足空间成像领域对大口径、轻量化、高衍射效率光学衍射元件的需求,研究了薄膜衍射元件微结构设计及制作工艺。应用Zemax光学软件设计了320 mm口径,F/#100的四台阶薄膜菲涅尔衍射元件,并利用Matlab软件将连续位相结构转化为离散化台阶分布。研究了薄膜菲涅尔衍射元件的制作技术,选用透明聚酰亚胺薄膜作为基底材料,以石英玻璃作为复制模板,通过多次旋涂的方式实现了厚度为20 m的衍射薄膜制作。应用Solidworks软件设计并加工薄膜支撑装置。测量复制基板及薄膜对应区域的微结构,实验结果表明条纹线宽转移偏差小于1.3%,台阶深度偏差小于8.6%。搭建光路测试在波长632.8 nm处衍射效率平均值为71.5%,达到了理论值的88%。实验结果表明,制作的薄膜重量轻,复制精度高,并且具有高衍射效率,满足空间望远镜的应用要求。

English Abstract

参考文献 (23)

目录

    /

    返回文章
    返回