作者： 时间：2024-08-15
“回想去年此时，为了带学生参加全国大学生物理实验竞赛，我不断在想该用什么复杂结构来分析干涉衍射现象，甚至有点夜不能寐。好朋友送的微透镜阵列结构复杂，衍射干涉现象也好，可是我们总找不到研究它的切入点和创新点，也没能把现象和理论分析结合起来研究透彻。”中科院光电所校友——李海颖老师回忆道。在查阅了大量的有关微透镜阵列的文献后，李老师有了重要的发现：微透镜是昆虫复眼的仿生学应用。于是，李老师和同学们开始尝试直接使用蜻蜓复眼进行光学实验。有了蜻蜓复眼的引出，阵列型光栅的衍射和干涉的研究题目变得更加的生动，使本来晦涩的光学现象在大众的眼中显得更加的通俗易懂，也更加的吸引眼球。河北工业大学李海颖老师带领学生参加了全国大学生物理竞赛总决赛，凭借新颖的创意和扎实的理论实验做工获得全国一等奖。
老师和同学门对蜻蜓复眼光栅的研究
蜻蜓作为一种常见的昆虫，其复眼的大小占头部总面积三分之二，因此很适合作为昆虫复眼的取材来源。老师和同学们在校园中捕获了几只健康的蜻蜓作为实验的取材对象，通过对蜻蜓的复眼进行一系列处理，将复眼上的肌肉组织进行分离，得到清洗完备的蜻蜓复眼，用显微镜分别在100倍和400倍放大倍率下进行观察和拍摄，得到蜻蜓复眼的微观结构照片，之后按照光栅结构的分析方法，对蜻蜓复眼进行了测量获得如下数据：
用载玻片和盖玻片将蜻蜓复眼样本进行固定，用甘油填充缝隙，组成蜻蜓复眼光栅光学元件，将其置于实验光路中对氦氖激光器进行衍射成像实验，实验光路原理图如下图所示。
在光屏上获得了蜻蜓复眼光栅光学元件的衍射图样，衍射图样如下图所示。
经计算，蜻蜓复眼结构近似为一种二维的光栅结构。因此使用光栅叠加尝试复现与蜻蜓复眼光栅相似的衍射图样。尝试选用了3片相同的25线光栅。将这3片25线光栅叠加。通过使用Zemax光学软件仿真，获得了与蜻蜓复眼相似的衍射图样。经实际测试，成像的衍射图样符合仿真，实际测试的衍射图样如下图所示。
与蜻蜓复眼光栅衍射相比，仅利用一维光栅的叠加形成的衍射图样光强分布不均匀。通过老师和同学们查找的资料，发现实际上，蜻蜓复眼的小眼面型对光强分布的匀化起到了重要作用，如果将每一个小眼看作一个微小结构的透镜，并且将这些微小结构的透镜紧密排列在一起构成了整个光学器件，这中光学器件被称为微透镜阵列。下图为微透镜结构示意图。
台阶透镜的设计原理
具有浮雕表面结构的透镜称为菲涅耳波带透镜，波带片作为成像透镜因存在多级像,会损失部分光能量。将波带片制作成具有浮雕表面的相位结构,浮雕的厚度在波长量级,并且使图形接近设计值,可以实现在要求的像点有最大的光强,而其他像点光强很小,因此具有高衍射效率。台阶透镜作为二元相位型微透镜阵列具有体积小重量轻及密度大等特点，满足光通信及光互连等新技术的发展票求。它是由多组系列同心圆环组成的二元结构。同时,每一周期中都刻蚀着多个台阶深度的浮雕结构。根据下面的设计公式组。
其中，R为波带片半径，λ为波长，f为波带片焦距，L为台阶数，最小线宽v是
指最大环带半径与其相邻环带半径之差, N为波带片周期数,且N=M/L。
基于此原理,设计了一种石英材质的衍射透镜阵列,微透镜口径: 600um*600um, 微透镜阵列整体尺寸120mm×120mm×2mm,台阶数 L=8。
设计好的台阶透镜组成的微透镜阵列也在400倍放大倍率下进行观察，得到的表面形貌如下图所示
根据之前的台阶透镜的设计公式，选取m=68，此时rm=0.4228mm，已知λ=632.8nm，L=8，即可求出该波长下的f=16.6mm。将台阶透镜组作为之前光学实验光路原理图中的衍射原件，用上面计算得到的数据进行组装并测试，得到了其衍射点阵图样，利用CCD对点阵图样进行拍摄，并取单独一个光斑进行观察，得到的衍射光斑图样和单个光斑图样如下图所示。
可以观察到，像点处的光强很大，而像点四周的光强很小甚至没有。相比仅用一维光栅单纯的叠加产生的干涉衍射图像，这种台阶微透镜阵列的衍射效率更高。
台阶透镜的结构通过微透镜阵列进行排布所组成的光学元件相比于传统的光学元器件有着明显的优势，随着光学产品向着小型化、集成化的趋势发展，阵列型光栅的需求会越来越大，而拥有阵列型光栅的光学特性的同时，微透镜阵列对光线的衍射更高，种类和应用也会更加的丰富，不仅如此，微透镜的特殊光学性能和色散性能传统的光学元器件很难达到，而微透镜的体积小、重量轻、容易复制等优点使其在未来的光学应用中会更加的有竞争力。
虽然时隔一年，但这次的实验研究依旧记忆犹新，“抓到第一只蜻蜓兴奋地不行。仰望天空，品味着dragonfly这个如此大气的英文名字，也深刻感受到了这个世界无限的神秘。我在和父母说蜻蜓有几万只眼睛，蜻蜓幼虫生活在水中而且绝大多数时间都在水中度过，给他们看了照片后，他们瞪大眼睛很是惊叹:从不知道“水蝎子”是蜻蜓！”李老师感叹道，“把蜻蜓复眼和叠加光栅、微透镜阵列做了结合，用程的话说，切入点就很有意思，华丽转身了。学生们竞赛工作显得比较饱满，几个学生得到了全国大学生物理竞赛一等奖。于我而言，我得到了一次带学生去重庆参加决赛的机会，见到了久未谋面的好朋友们。幸福感萦绕心头，久久未曾散去！”
