衍射光学元件热稳定性的分析

　　0　引言

　　衍射光学在空间技术中的应用优势已引起人们的广泛关注.作为功能器件,衍射光学元件具有较大的设计自由度和加工制作精度,易于小型化和集成化,并能够实现光互联和光束变换等多种功能,应用衍射光学技术可以制作出高性能的大数值孔径透镜列阵器件,这对于提高空间遥感系统中探测器的灵敏度极为有意义.在成象光学系统中,衍射光学元件由于轻、薄和较强的波面校正功能,从而能使光学系统在达到优良成象质量的同时更趋于小型化和轻量化.衍射光学元件不依赖于自身材料的折射率,仅依据其表面微结构的变化产生光学效果,由此增加了光学设计对材料选择的自由度,有利于空间光学系统简化结构和降低成本.

　　应用于空间技术的光学系统需要研究其特殊的性能,如热稳定性以及空间环境中高能粒子辐射,抗原子氧侵蚀对系统和元件各种性能的影响等,而空间温度环境的稳定尤为重要.为保证优良的成象质量,目前光学遥感仪器都配备主动温控装置,使系统温度变化控制在一定的范围内,否则将导致包括离焦在内的象质恶化,严重影响光学遥感仪器发挥作用.衍射光学在保持光学系统热稳定性方面具有一定的优势,当考虑衍射光学在空间技术中的应用的同时,有必要进行热稳定性的研究.

　　1　折射和衍射光学元件的温度特性分析

　　温度变化对光学元件性能的影响包括两个方面,一是由于热胀冷缩引起元件结构尺寸的改变,二是在不同温度条件下材料折射率有变化,这种变化对半导体结构的红外光学材料尤其显著.假设光学材料的热膨胀系数是αg,折射率随温度的变化率是dn/dT,那么可以用光热膨胀系数Xfr和Xfd分别来反映折射和衍射元件对温度变化的敏感程度.

　　热膨胀系数定义为

　　式中r1、r2表示透镜表面的曲率半径,当温度变化ΔT时,透镜面形和材料折射率将发生改变

　　将上述关系代入式(1)、(2)则有折射透镜的光热膨胀系数

　　式中rp表示波带周期的半径.按折射透镜同样的分析方法,可得到衍射透镜的光热膨胀系数

　　比较式(5)和式(7)可见,折射透镜的光热膨胀系数由光学材料的热膨胀系数和折射率随温度的变化率共同决定,而衍射透镜的光热膨胀系数与光学材料的折射率变化无关.因此,折射透镜与衍射透镜的热稳定性有所区别,特别是对于硅、锗和硒化锌等半导体结构的红外光学材料而言,由于dn/dT较大,因而Xfr与Xfd的差异也愈显著.表1所列为部分红外光学材料的稳定性参数.

　　2　衍射元件焦距和衍射效率的热稳定性