大气湍流下超振荡望远成像的理论研究

为了实现大气湍流动态干扰下望远镜对远距离目标的超衍射极限成像, 采用光学超振荡原理局部衍射压缩光学系统点扩散函数, 并对提高成像分辨率效果进行了理论研究。结果表明, 中等湍流强度校正后, 波前残差均方根约为波长的1/15(波长λ=632.8 nm)时的干扰下, 超振荡光场调制能够实现望远系统点扩散函数的衍射压缩, 衍射压缩倍率为0.75;对不同中心间距双孔的成像研究验证了超振荡望远系统约0.80倍瑞利衍射极限的超分辨成像效果; 波前残差的均方根大小可能会导致望远系统点扩散函数的衍射压缩倍率和成像分辨率存在差异。此研究结果可应用于高精度星点定位、超分辨望远等领域。     

外腔半导体激光器的空间模式特性分析

通过对宽发光截面半导体激光器(BAL)输出激光空间特性和远场分布的理论分析,并根据激光振荡的自再现原理,导出了反馈注入外腔宽发光截面半导体激光器输出激光的光场分布。计算表明外腔的反馈作用可以看作是频谱面上引入了一个带通滤波器,通过选择特定模式的频谱分量进行反馈注入,从而实现选模和改善输出激光光束质量的目的。完成了相应的外腔反馈注入宽发光截面半导体激光器的实验,获得了单瓣近衍射极限的激光输出,在工作电流为1.18倍阈值电流时,获得远场发散角为0.074°的输出激光,计算得相应的光束衍射倍率因子M2为1.16,和理论计算的结果基本吻合。     

具有衍射频谱成象和投影成象的激光准直光学系统

利用一个透镜的前后焦平面上光场分布互为傅里叶交换关系,即后焦平面为前焦平面上图象的空间频谱,把激光从现有测量仪器的目镜入射通过望远镜前焦面的固有十字系所产生相干光的衍射现象和望远镜物镜系统的傅里叶变换功用结合起来,这就是衍射效应和频谱成象的基本原理.以激光为光源,从现有测量仪器的目镜入射作为照明系统聚集到望远镜物镜(即投     

非经典强度相关光场中噪声频谱特性及压缩关系的实验研究

众所周知,非经典相关态光场因具有低于标准量子极限SQL的亚散粒噪声,在光学精密测量、光通讯、光计算机、引力波探测及光谱学等领域有着广阔的应用前景。 近年来,已有若干小组从实验上成功地观察到孪生光场强度差(I_2—I_1)的量子噪声低于SQL(即散粒噪声极限SNL)的非经典强度相关光场。如Heidman等人的参量振荡器OPO(1.5dB)、Kumar等人的脉冲参量放大器OPA(6dB)、和黎永青等人的负反馈半导体激光器NBSCL(10dB)产生方案。然而,有关非经典强度相关光场的噪声频谱特性     

正弦振幅光栅菲涅耳衍射光场的空间分布

在三维传感系统中通常采用结构照明光场。产生结构照明光场的方法一般有投影法和双光束干涉法。本文利用平面波衍射理论（角谱理论），分析了正弦振幅光栅在不同照明条件下的菲涅耳衍射光场的空间分布，特别讨论了在发散球面波照明条件下，菲涅耳衍射光场和泰伯像的一些有趣的性质，指出了这些性质在三维传感中的应用前景。     

利用掩膜制作光纤光册的分析

利用相位掩膜和准分子激光，可以方便有效地制作光纤光栅。本文从衍射和干涉理论出发，讨论了具有一定空间和相间相干性的准分子激光照射具有不同衍射级次的掩膜时产生的近场光场分布。分析了其对光纤光栅制作的影响，并把分析结果与实验现象进行了比较。     

相全息图产生任意阶无衍射光束阵列的理论和实验

无衍射光束由于其中心光斑尺寸小、传播中无衍射等特性被广泛关注。提出了一种相位全息图产生任意阶次和位置的无衍射光束阵列的方法。设计具有相同特征值的相全息图阵列,即阵列中每幅相全息图在频谱面上产生相同半径的亮环,并把相全息图阵列写入空间光调制器,由于傅里叶变换平移不变性,相全息图阵列在频谱面上仍产生唯一能量集中的亮环,通过环形滤波器将其滤出,再次进行傅里叶变换,便得到无衍射光束阵列,并且每个无衍射光束的位置和阶次都可以任意设置。理论分析和实验均证明了该方法的可行性。     

轨道角动量叠加态的产生及其检验

带有螺旋相位分布的波束都具有轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）,其螺旋相位取决于OAM态拓扑荷数。理论分析了叠加涡旋光束的相位及光场分布,然后将叠加态涡旋光束的相位分布图加载到空间光调制器上产生了多态涡旋光束,讨论了不同拓扑荷数叠加时光场衍射图的分布情况。实验结果表明,叠加态的涡旋光束光场衍射图随着叠加光束拓扑荷数的正负以及数值而呈一定规律性变化,即当叠加的两束光拓扑荷数为异号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数绝对值之和;当叠加的两束光拓扑荷数为同号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数之差的绝对值。通过此性质可以检验涡旋光束的拓扑荷数,为叠加涡旋光束在自由空间光复用通信系统的拓扑荷数检测提供了新的方法。     

带有相位调制的光学谐振腔内光场空间相干性的演化

基于激光谐振腔的理想开腔模型及其在空间频率域的相干模式理论,通过数值模拟分析了含有相位调制型元件的光学谐振腔内光场空间相干性的影响,讨论了产生这种现象的物理机理.数值计算结果表明:空间相干性随光场在腔内振荡次数的增加最终仍然会趋于完全相干,但对不同的相位调制形式,光场空间相干性在腔内的演化情况有很大的区别.     

泵浦光对固体激光器光束质量的影响

利用有泵浦增益时的谐振腔衍射积分方程,研究了二极管泵浦固体激光器中泵浦光对振荡光场的影响,分析了泵浦光分布和泵浦光半径对振荡光场的影响。结果表明当泵浦光分布分别为均匀分布和高斯分布及椭圆高斯分布时,最佳的泵浦分布为高斯分布;对于高斯光束泵浦,泵浦半径的变化会引起振荡光场的尺寸和形态的变化。定量分析结果表明泵浦半径在一定范围内变化时,振荡光斑半径均随泵浦光半径的增大而减小。在实际的DPL设计中需要根据对振荡光的要求进行泵浦光的优化设计。     

局域表面等离子体纳米结构的超快非线性光学及其应用研究进展

纳米结构的局域表面等离子体共振效应能够突破衍射极限实现对光信号的局域调控,自发现以来就引起了光学领域的广泛关注,并成为一大研究热点。从对局域光场增强效应到超材料的实现,表面等离子体都扮演着重要的角色。综述了基于纳米结构的局域表面等离子体的超快非线性光学现象及其应用研究,重点介绍了非传统表面等离子体纳米材料(重掺杂半导体)的饱和吸收效应,以及其在超快脉冲激光器中的应用,并对其发展前景进行了展望。     

压缩感知实现快速超分辨荧光显微成像

为了发展能够同时兼顾超分辨、快速成像和视场的荧光显微镜, 以促进其在活细胞或微观动态过程成像的应用, 将压缩感知应用到超分辨荧光显微镜中, 利用投影梯度稀疏重构算法对单帧荧光宽场图像重构, 并进行了理论分析、仿真和实验验证。结果表明, 该方法能够突破光学衍射极限, 成像分辨率达到180nm, 相比衍射极限提高1.8倍。此结果说明压缩感知能够实现单帧宽场超分辨荧光显微成像, 相比现有的方法在成像速度上有巨大的提升。     

可用于四波横向剪切干涉波前检测的随机编码混合光栅设计

提出了一种可用于四波横向剪切干涉波前检测的随机编码混合光栅。由期望得到的四波前衍射频谱出发,根据夫琅禾费衍射原理并结合光通量约束的随机编码方法得到了由振幅编码光栅和棋盘式相位光栅构成的随机编码混合光栅,与改进的哈特曼模板(MHM)相比,其衍射场中只有四个级次,更好地实现了四波横向剪切干涉。分析确定了入射光束口径、光栅栅距以及观察距离等系统参数。分别给出了随机编码混合光栅和MHM的远场衍射光场分布及四波横向剪切干涉图,对比发现随机编码混合光栅的远场衍射光场中只有四个等光强的光斑存在,其四波横向剪切干涉图稳定,可以实现任意畸变的波前检测。     

望远超分辨成像中的视场光阑影响及补偿机理

根据衍射光学理论,分析了基于瞳函数调制的望远超分辨成像系统中,用于视场选择和过滤旁瓣影响的视场光阑的衍射效应对于成像效果的影响机理,并给出了补偿原理和方案。微孔视场光阑和四环带阶跃型位相滤波器分别放置在系统一次像面和出瞳位置。理论分析和仿真表明:视场光阑口径越小,最终像面光斑主瓣越宽甚至失去超分辨效果,旁瓣光强峰值与主瓣光强峰值之比也越高。对此时出瞳处的光场振幅、位相场分别进行多项式拟合,求解进行修正的复振幅型光瞳滤波器设计参数,可以有效抑制视场光阑的衍射效应,获得良好的超分辨成像效果,且超分辨成像与光阑效应补偿合二为一,不会增加系统光路的复杂度。并进行了实际实验,验证了以上设计方法的有效性。以上研究结果可为应用在天文观测、空间探测等方面的超分辨成像系统设计提供依据。     

负反馈半导体激光器产生压缩态光场中噪声压缩特性的实验研究

压缩态光场代表着一类非经典光场。由于它的一个正交相分量具有低于散粒噪声极限SNL以下的亚散粒噪声,故对压缩态光场的理论、实验乃至应用开发研究有着十分重大的科学意义和应用价值。 近年来,已有若干小组相继报道了观察到压缩态光场的成功实验结果。诸如较有代表性的产生方案有吴令安等人产生连续波压缩态的简并参量下转换DPDC(4.3dB)和Slusher等人产生脉冲压缩态的参量下转换PDC(0.6dB)。最近,我们利用负反馈半导     

相干光学系统中光场的空间追踪模拟

利用标量衍射理论,对相干光学系统中光场进行空间追踪模拟,该方法可以对光学系统中激光光场的分布进行预测.     

有两个同时激励的激活体积的准分子激光器

激活粒子密度较大的高气压激光器的特征是有较高的增益系数(0.1~0.5cm-1)。在这样的系统中，振荡常常是在超辐射状态下实现的。由文献[3]可知，超辐射是放大了的自发噪声，它没有辐射的空间相干性。放电型惰性气体卤化物准分子激光器就属于上述工作于超辐射状态下的激光器类型。对于许多应用来说，除了没有足够的空间相干性之外， 由于低激光能级涨落性质决定的振荡谱线较宽，这种激光器的时间相干性也较低。尽管放电型准分子激光器的效率高(>4%)、振荡能量也高（>13 J)，辐射的低质量从根本上限制了这些系统的应用领域。此外，对选择光致电离光谱学工作、以及在信息的全息记录和将激光器的紫外辐射转换成其它波段的辐射等的实验中，都要求系统有较低的辐射谱线宽度(~0.5 cm-1 )和接近衍射极限的发散度。     

菲涅耳衍射的逆运算研究

衍射光场的相位逆运算是有意义并且困难的工作.本文基于菲涅耳衍射计算公式,给出了实现衍射逆运算的方法.并用数字全息理论与技术,结合衍射计算和相位解包裹算法,研究了圆孔衍射在菲涅耳衍射区的光场重构.继而完成了用衍射逆运算来计算衍射孔光场分布的计算机模拟和实验测算工作,结果证明两者是吻合的.     

面向光信息存储的小尺寸光场研究进展

人类社会正处于信息爆炸的大数据时代，迅速膨胀的数据在持续高速增加，需要越来越大的存储容量来承载。高密度光存储技术具有非接触、抗电磁干扰、存储密度高等优点，为更好地存储、处理、分析每天产生的海量数据提供了优质方案。然而，光储存记录点的尺寸受到衍射极限的限制，传统光存储技术的存储密度难以大幅提升。近年来，随着多参量光场调控技术的发展，高数值孔径物镜聚焦下的结构化光场有了更新颖的结构、更丰富的维度和更小的尺寸，为高密度光存储提供了更多选择。本文将综述光场调控技术在紧聚焦焦场上的最新成果，介绍实现空间紧聚焦焦场的理论设计、模拟、实验、高效生成器件和应用。这些成果将会更好地服务于高密度光存储技术的研究与应用。     

超分辨成像方法研究现状与进展

光电成像系统受到衍射极限和像元分辨率的制约,但研究者们从未停止过脚步来突破这一限制。本文介绍了近年来开展的各种超分辨成像方法和技术,包括应用于荧光显微成像的受激发射损耗技术、结构光照明技术、光激活定位技术与随机光学重构超分辨成像技术;可应用于显微系统、光存储与眼底成像的光瞳滤波技术与径向偏振光超分辨聚焦技术;应用于空间探测的合成孔径技术、光子筛成像技术、超振荡透镜技术、亚像元技术与焦平面编码技术。主要讨论了以上超分辨方法的原理、实现手段与目前发展水平。