随着加工技术的成熟和对空间分辨率要求的不断提高，光子筛小孔越来越小。对于光子筛上不同大小的圆孔，均匀平面波入射时会激发一个或多个波导模，进而导致模间色散和相位差的出现。即使小孔中只有单模传输，基模的有效折射率也与小孔的大小有关，从而会导致不同直径的小孔在出射端面处具有不同的相位。为了消除这些相位差，提出等直径小孔单模光子筛。研究了“水窗”波段中等直径小孔单模光子筛的聚焦效应，并建立了相应的高斯远场衍射模型。基于有限元软件的数值模拟确认了高斯模场的分布，并基于菲涅耳衍射积分的计算进一步确认了远场解析模型的有效性。

基于Rudin-Shapiro(RS)非周期序列, 提出了一种能简易制作且可在轴向产生两个低色差图像的RS光子筛(RSPS)。基于角谱理论, 研究了光子筛筛孔的最小直径与对应波带片的最外环宽度的比值对RSPS聚焦特性的影响, 数值仿真结果表明, 当光子筛筛孔的最小直径是对应波带片最外环宽度的1.398倍时, RSPS能在轴向产生相同的高强度的双焦点。不同于RS波带片(RSZP)的环带结构, RSPS的孔状结构更容易制作。此外, 对比分析了RSPS、RSZP和Thue-Morse波带片(TMZP)的聚焦成像特性, 理论研究结果表明, RSPS在轴向两个焦平面产生的图像的色差比TMZP的色差低, 与RSZP的色差近似一样。因此, RSPS在多色成像, X射线显微等领域将具有广阔的应用前景。

利用数字全息测量方法结合变采样间距的衍射传输算法实现双焦点光子筛器件焦距及焦斑的同时精细测量.给出了双焦点光子筛器件及其理论焦斑分布,采用双曝光的离轴全息方法得到了CCD接收面处光场的复振幅分布, 基于此光场通过变采样间距的衍射传输算法获得具有较高分辨率的双焦点光子筛的聚焦场特征, 与CCD直接测量结果相比, 焦斑分辨率提高了10倍, 双焦点光子筛的焦距等于自动对焦算法及强度最大值扫描方式分别求得的两段距离之和.实验结果表明测得的双焦距与设计焦距偏差分别为0.53%和0.37%, 得到的两个焦斑半值全宽与设计值相比, 其偏差分别为2.86%和1.86%.本文提出的测量方法除了应用于光子筛类器件的性能检测以外, 还能够广泛应用于其它类衍射透镜聚焦特性的测量与性能分析.

We propose a new algorithm to extend the standard Fibonacci photon sieve to the phase-only gen-eralized Fibonacci photon sieve (GFi PS) and find that the focusing properties of the phase-only GFi PS are only relevant to the characteristic roots of the recursion relation of the generalized Fibonacci sequences. By switching the transparent and opaque zones on the basis of the generalized Fibonacci sequences, we not only realize adjustable bifocal lengths, but also give their corresponding analytic expressions. Besides, we investigate a special phase-only GFi PS, a spiral-phase GFi PS, which can present twin vortices along the axial coordinate. Compared with the single focusing system, bifocal system can be exploited to enhance the processing speed, and offer a broad range of applications, such as direct laser writing, optical tweezers or atom trapping and paralleled fluorescence microscope.

A new photon sieve with Fibonacci sequence is proposed and a focusing and imaging model of the Fibonacci photon sieve (FiPS) is presented based on the Huygens-Fresnel principle.The results show that the FiPS presents two longitudinal foci with the ratio of golden mean.When the diameters of pinholes are equal to 1.165 times the width of corresponding orbits,the intensity of the two foci is almost the same.Compared with the resolution of Fibonacci zone plate (FiZP),FiPS has higher transverse resolution.Finally,higher transverse resolution on the two focal planes is improved by applying Gaussian apodized technology to the numbers of pinholes of FiPS.In consequence of smaller size,lighter weight,more flexible design and bifocal property,the FiPS can be applied to optical switches,nanometer lithography,bionic eyes,multi-focus imaging and ranging,even some new applications such as ranging from X-ray microscopy and THz imaging.

应用斐波那契数列,提出了一种双焦点光子筛,并基于惠更斯-菲涅耳原理,分析了斐波那契光子筛的聚焦特性.数值仿真结果表明,当单色平面波通过斐波那契光子筛时,它能够获得两个焦距比约为黄金分割比的轴向焦点.筛孔直径等于所在轨道宽度的1.165倍时,两个焦点处光强相等.与斐波那契波带片相比,斐波那契光子筛具有更高的横向分辨率.最后引入高斯切趾技术,对斐波那契光子筛筛孔个数进行调制,在两个焦平面上进一步提高横向的分辨率.由于斐波那契光子筛体积小、重量轻、设计灵活,而且具有多焦性,可以用于光学开关、纳米光刻、生物仿生眼、多焦成像和测距,甚至在X 射线显微技术和太赫兹成像技术都将有新的应用.

为了寻找一种简单有效的产生局域空心光束的方法，提出了一种利用交错型光子筛产生空心光束的方法。通过光子筛的内部区域和外部区域相消达到轴上光强为零的目的。给出了光子筛的结构和设计参数，对空心光束中心暗斑尺寸和光子筛焦距、环带数、小孔调制系数的关系进行了深入的研究，发现改变焦距和环带数可以得到微米甚至亚微米的中心暗斑的局域空心光束。理论推导和仿真分析验证了方法的可行性,该方法具有结构简单和能产生极小中心暗斑的优点,特别适用于光学镊子、原子冷却等。

针对空间衍射成像系统对大口径、结构轻量化、空间可展开等特性的要求，设计并制作了用于空间望远镜的新型衍射元件——PI薄膜光子筛。首先，分析了光子筛的设计理论；针对空间应用的特点和原则，采用振幅型光子筛的设计思路给出设计参数；用UG软件设计并加工制作了光子筛的机械固定结构。然后，通过镀膜、光刻、刻蚀等微细加工工艺制作了PI薄膜光子筛。最后，测试了光子筛的衍射效率及成像性能。实验结果表明：光子筛在波长632.8 nm处的实际衍射效率为4.916%，是理论值的73.9%。使用He-Ne激光器，选取10 μm的星点孔进行星点检测，得到了理想的艾里斑图像，其直径为176.70 μm，与理论极限值169.84 μm的误差仅为4.04%。搭建了分辨率板成像实验，测得薄膜光子筛的实际最高分辨频率为12.2 lp/mm，接近理论极限空间频率14.4 lp/mm，表明实验结果与理论分析基本相符。与其它刚性材料基底制成的光子筛相比，采用PI薄膜制作的光子筛不仅重量轻，同时具有较好的成像性能，可以满足空间望远镜主镜的应用要求。

为了提高螺旋波带片用于相衬成像的分辨率和成像对比度，因此本文将螺旋波带片的透光环带替换为透光微孔，以类-贝塞尔函数作为螺旋光子筛透过率的振幅调制窗函数设计了一种螺旋光子筛.在相同的特征尺寸下，螺旋光子筛比螺旋波带片具有更大的数值孔径，因此分辨率更高.同时基于光瞳切趾原理，经过类-贝塞尔振幅调制窗函数对螺旋光子筛透光微孔的分布进行调制，螺旋光子筛的成像对比度将高于螺旋波带片.通过数值计算和仿真分析表明：螺旋光子筛的点扩展函数主瓣宽度相对于螺旋波带片更窄，旁瓣幅值也相对更低.在相衬成像中，螺旋光子筛不仅能够消除螺旋波带片对圆盘状位相物体成像时图像的“浮雕”效应而且能够更为清晰地分辨出位相跳变更为密集的周期矩形条状物体.因此，螺旋光子筛用于相衬成像中将具有更高的成像分辨率和成像对比度，其在医学领域将具有广阔的运用前景.