在介绍SLM进行光束整形原理的基础上, 分析了二元光栅、闪耀光栅和正弦光栅三种光栅的结构特性, 并根据影响整形光束质量的性能指标, 以方向光斑为例, 设计了不同周期的相位掩模图。成像和加工试验表明, SLM上加载三种光栅形成的掩模图, 均可以将高斯分布的圆形光斑整形为平顶的方形光斑, 但闪耀光栅的整形效果明显优于另外两种光栅。在闪耀光栅周期为120 μm时, 局部能量利用率达到91.86%, 均方根误差为0.039, 整形后光束具有较好的均匀性。

为了实现高速旋转工件的在线三维面形检测,提出一种高速旋转物体频闪在线相位测量轮廓术(PMP)三维测量方法。利用圆形正弦光栅替代线形正弦光栅,采用高密度二元编码光栅替代灰度编码光栅,设计专用频闪同步控制单元同时触发投影系统频闪投射相移光栅和图像采集单元同步获取图像,获得物体在同一“冻结”位置下的相移变形条纹后,采用静态PMP相移算法重建物体的三维面形信息。实验结果表明,该方法具备可行性和实用性,可有效避免工件离线检测时多次装夹不一致引入的加工误差,能够提高工件的检测效率和加工效率,可用于其他高速旋转物体的三维面形重建。

针对折射率调制的表面等离子体全息显示方案, 采用严格耦合波计算方法, 仿真了变折射率薄膜正弦光栅结构参数与衍射效率的关系.结果表明, 银作为表面等离子体激发材料时, 0.2 μm为光栅最优厚度, 在此基础上, 一级次光衍射效率与折射率差值、周期呈正比增长关系.对折射率范围进行了拓展, 确定了折射率调制范围在1.34~1.8、周期为0.9 μm时, 对应的衍射效率可达33%以上.研究结果对于优化设计表面等离子体全息显示结构具有参考意义.

当前微流控表面增强拉曼散射(SERS)检测领域常用的贵金属纳米颗粒溶胶单位体积内热点区域数量有限且热点区域范围较小, 而贵金属纳米三维阵列结构加工时间长, 成本高昂并存在“记忆效应”。本文提出了集成到微流道的复合Ag/SiO2正弦光栅SERS基底结构, 可以利用激光干涉光刻技术进行制备, 无需预制掩膜版, 可实现大面积、低成本SERS基底简易快速制备。利用严格耦合波分析方法(RCWA)建立了复合正弦光栅表面电场增强数学评估模型, 推导了表面等离子体共振(SPP)耦合吸收率数学模型, 分析了入射光、复合正弦光栅结构与外界环境介电常数的优化匹配关系, 得到了入射光785 nm条件下的最佳复合正弦光栅结构。通过制备加工并实验验证了复合正弦光栅的SERS性能, SERS增强因子(EF)能够达到104。

A composite one-dimensional (1D) Ag sinusoidal nanograting aiming at label-free surface enhanced Raman scattering (SERS) detection of TNT with robust and reproducible enhancements is discussed. 1D periodic sinusoidal SiO₂ grating followed by Ag evaporation is proposed for the creation of reproducible and effective SERS substrate based on surface plasmon polaritons (SPPs). The optimal structure of 1D sinusoidal nanograting and its long-range SERS effect are analyzed by using the finite difference time domain (FDTD). Simulation SERS enhancement factor (EF) can be 5 orders of magnitude as possible. This SERS substrate is prepared by the interference photolithography technology, its SERS performance is tested by Rh6G detection experiments, and the actual test EF is about 10⁴. The label-free SERS detection capacity of TNT is demonstrated in the experiment.

利用严格傅里叶模式理论研究了不同基底折射率、入射角度、归一化周期、归一化沟槽深度对正弦型光栅微结构衍射效率的影响, 并分析了该光栅的衍射特性.基于标量衍射理论和等效介质理论, 分别计算了光栅周期远远大于和远远小于入射波长时, 正弦型光栅的衍射效率, 并与傅里叶模式理论的计算结果进行比较, 分析标量衍射理论和等效介质理论的有效性.结果表明：在垂直入射条件下, 当光栅基质材料折射率为1.5时, 标量衍射理论在光栅归一化周期大于5时, 能够准确计算光栅衍射效率, 误差小于3%; 当基底折射率增大到3.42时, 只有在光栅归一化周期大于10时, 标量衍射理论才有效, 误差小于5%; 当正弦型光栅透射光中只有0级衍射光传播时, 等效介质理论能够准确计算其透射率; 随着入射角度的增大, 标量衍射理论和等效介质理论的有效性都不同程度地降低.

提出了一种基于结构光投影在线测量大尺度物体的方法, 并给出了理论论证, 通过模拟测量发现, 分割子图像部分包含的变形条纹不是条纹周期的整数倍, 相位展开时不可避免出现错误, 造成拼接处误差比较大, 因此提出利用拼接处相邻相位展开正确的数据对拼接处的数据进行插值处理, 有效减小了误差, 验证了方法的可行性; 解决了动态大尺度物体三维面型测量受单个投影设备投影范围限制的问题, 在实际工程应用中, 精度要求不高的情况下, 可以用来对动态的大尺度物体进行三维建模。

利用误差扩散方法产生二元编码正弦光栅可以消除数字投影仪的非线性对投影光栅正弦性的影响，且能充分利用基于数字光处理技术(DLP)投影仪中数字微镜的二元高速开关特性，高速投影二元编码正弦光栅。投影仪分辨率不足会导致电子二元编码正弦光栅正弦性下降，从而影响测量精度。先对比了两种典型误差扩散编码算法：Floyd-Steinberg距离加权和Sierra Lite“蛇”形扫描获得的光栅的正弦性。然后针对目前DLP 投影仪产生频率较高的二元编码正弦光栅时，二元编码正弦光栅的正弦性较差的问题，提出了两种改善方法：1) 利用柱透镜卷积作用，在栅线方向上对二元编码正弦光栅进行平滑；2) 组合多帧具有不同微结构的二元编码正弦光栅，来减小二元编码正弦光栅的误差，保证相位测量轮廓术(PMP)方法的测量精度。所提方法充分利用了DLP 投影二值图像的高速特性，又明显改善了由于DLP 分辨率有限导致的二元编码正弦光栅的正弦性较差的问题，实验验证了这两种方法的有效性。

当激光入射到正弦光栅时，会产生0级和±1级衍射谱线，通过测量衍射谱线的分布，可获得入射激光的波长及方位角信息。为了实时探测激光光源的波长和方位角，设计了一种基于正弦光栅的凝视型激光探测告警系统。介绍了系统的工作原理，推导了激光波长和方位角的计算公式，并对系统的探测精度进行了数值模拟研究。分析了光栅常数和柱面镜曲率半径对系统探测能力的影响，并且给出了相关函数。实验结果表明：当光栅常数为1/500 mm、柱面镜曲率半径为20 mm时，系统可实现对波长为320~1100 nm、视场角为±20°范围内激光源的实时探测，波长分辨率可达到10 nm，角分辨率可达到1°。