二維反射光柵衍射畸變的光散射方法研究.pdf

1、光柵是重要的光學(xué)元件，光柵衍射的研究一直是人們所感興趣的重要課題。近期以來人們關(guān)于光柵研究的取得了許多重要成果，例如金屬光柵的透射增強(qiáng)，納米周期光柵的制作及其光波衍射傳播原理的研究，高密度光柵的近場成像等。在光柵衍射的問題中，衍射極大的位置和光強(qiáng)是最基本的問題，其中各級次極大的位置由經(jīng)典的光柵方程決定。眾所周知，光柵方程直接應(yīng)用于光束入射面和光柵柵線的方向相垂直的情況。當(dāng)光束的入射面和光柵的柵線的方向不垂直即通常稱為斜入射時，衍射極大光

2、點(diǎn)的位置出現(xiàn)畸變。J．E．Harvey等人在理論上研究了透射式光柵衍射極大的畸變問題，并基于菲涅耳衍射中的高階相位因子對畸變的位置變化進(jìn)行了解釋。之后又通過對光柵方程的修正，對給出確定衍射極大光點(diǎn)位置的方程。最近，衍射光強(qiáng)畸變的理論處理方法和實(shí)驗(yàn)研究探索仍然是人們關(guān)注的問題，進(jìn)而引起了人們對一般光波衍射中的光強(qiáng)及其位置畸變的探索和研究。 到目前為止，上述關(guān)于光柵衍射畸變研究的文獻(xiàn)，多是關(guān)于透射式一維光柵的畸變問題。與一維透射式光

3、柵衍射的畸變效應(yīng)相比，反射式光柵的柵線高度起伏引起光柵反射后的出射光波相位變化比透射式光柵明顯，衍射光強(qiáng)極大的強(qiáng)度變化上也更為顯著。反射式二維光柵由于一個方向上柵線的衍射對另一方向柵線高級次衍射的耦合調(diào)制，衍射光強(qiáng)極大位置更為明顯。因此對二維反射式光柵衍射的畸變現(xiàn)象的研究更具有普遍的意義。 本文基于經(jīng)任意表面反射后光波衍射的光散射理論，研究了二維反射式光柵衍射的光點(diǎn)位置的畸變問題，并在實(shí)驗(yàn)上對光柵衍射現(xiàn)象進(jìn)行了測量。理論上利用正

4、弦光柵的高度函數(shù)為散射光波理論中物體的高度函數(shù)，借助于對應(yīng)光柵柵線方位的衍射波矢量，推導(dǎo)了觀察面上的光場分布的表達(dá)式，并由此獲得了相應(yīng)于各級衍射極大的波矢量分量滿足的關(guān)系式。將波矢量與三個空間方位角的關(guān)系轉(zhuǎn)化成夫瑯禾費(fèi)衍射面上位置坐標(biāo)與方位角的關(guān)系，便可確定各級衍射極大光點(diǎn)的位置坐標(biāo)。消去柵線間距和衍射級次，得到光柵衍射極大位置的關(guān)系曲線。光束入射角不同，曲線的曲率也不同。實(shí)驗(yàn)上我們利用CCD對不同入射角情況下的衍射光強(qiáng)極大進(jìn)行了測量，