二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支,是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。二元光学器件,亦称衍射光学器件,具有体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等优点,并能实现传统光学器件难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能,在诸如空间技术、超精密加工、微光机电系统、计算机技术、信息处理、光纤通信、生物医学、国防军事及娱乐消费等众多领域有很广泛的应用前景。 本文围绕二元光学器件的设计和制作等相关理论、方法及技术,研究了二元光学器件的精细化设计理论、色散特性分析、并行制作技术及新型器件设计等内容。主要研究工作和所取得的成果可归纳如下: 1.基于基尔霍夫标量衍射理论,从空间频谱角度出发,首次系统地建立了精细化设计时输入、输出平面的抽样理论。发现了空间延拓分量的存在及交叠现象,详细研究了其形成机理,导出了消除其影响的相应条件。深入地探讨了输出图样在非抽样点上的失真机理。给出了不同优化算法的近似抽样原则,并通过仿真实验验证了精细化设计时抽样理论的有效性。 2.基于杨-顾算法的基本原理,提出了扩展的二维杨-顾算法和改进的加权杨-顾算法。详细研究了二者的理论模型、迭代算法和基本运算步骤,从理论上证明了加权杨-顾算法的收敛性。二维杨-顾算法可用来设计任意结构的二维衍射光学元件,包括非旋转对称和具有非分离变量相位函数的非对称结构。而改进的加权杨-顾算法,可明显改善普通杨-顾算法对初始值选择的敏感性,避免搜索过程陷入局部极值点,同时提高衍射光学器件的性能。 3.利用材料折射率随波长变化的经验公式,系统地研究了衍射光学透镜的色散特性,详细分析了焦平面和轴向光强分布、衍射效率、焦距同波长、结构参数、材料因子之间的关系。导出了小数值孔径衍射和谐衍射透镜设计公式成立的前提条件,给出了更为准确的设计公式。利用旋转体时域有限差分法,首次探讨了二元亚波长衍射微透镜的聚焦特性和色散规律。设计了一个由相位型分束器和衍射透镜组合而成的纯衍射消色差分束组合器件,该组合器件可有效地消除分束器在垂轴方向上的色散。 4.结合严格耦合波分析理论和遗传算法,首次提出了一种设计亚波长Dammann光栅的新方法,且该新型二值相位光栅具有较高的衍射效率。分析了制作误差对其衍射效率和光强均匀性的影响,设计了多个新型二值相位光栅,其衍射效率均超过90%,比传统的Dammann光栅有较大的提高。 5.首次提出了基于电寻址透射式强度型空间光调制器的灰度掩模并行制作方法。