变折射率三角棱镜产生无衍射线结构光

提出一种可产生中心光斑较强的无衍射线结构光的新型光学元件——变折射率三角棱镜。变折射率三角棱镜的折射率分布呈阶跃式变化,可以用于解决折射率均匀三角棱镜产生的无衍射线结构光能量均匀分布、中心光斑能量利用率较低的问题。采用几何光学理论分析了产生中心光斑较强的无衍射线结构光的原理,计算了中心光斑较强的无衍射线结构光的相关参数。由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的光强分布特性。研究表明,平面波正面入射新型光学元件可以产生中心光斑较强的无衍射线结构光。     

环形障碍物后的无衍射光重建产生局域空心光束

利用Hankel波理论和几何光学原理对无衍射光经环形障碍物的重建过程进行分析,结果表明轴棱锥产生的无衍射光是由从轴棱锥出射的两列Hankel波的叠加而形成的,并用Zemax软件对无衍射光经环形障碍物的过程进行光线仿真,模拟了环形障碍物后的轴上不同位置处的截面光强图,研究了局域空心光尺寸与环形障碍物参数之间的关系。并通过实验进行验证,实验中利用轴棱锥输出无衍射光,且在最大无衍射距离内放置环形障碍物,用CCD系统记录无衍射光经环形障碍物后的光强变化,实验和仿真结果基本吻合。仿真和实验结果均表明无衍射光束经环形障碍物后会重建并能产生中心光强为零的局域空心光束(Bottle beam),在光镊和光学微操作等方面具有潜在的应用价值。     

底发射VCSEL片上点阵结构光投影装置设计

为解决现有点阵结构光投影装置中准直透镜会导致较强的零级衍射而造成投影点阵光强分布不均匀的问题,提出了一种基于底发射垂直腔面发射激光器的片上点阵光投影装置结构,并给出了衍射光学元件设计思路。首先对目标光场进行光强调整和坐标变换,在无准直透镜情况下利用基于瑞利-索末菲衍射积分的Gerchberg-Saxton改进算法获得片上衍射光学元件的相位分布,并最终对该点阵投影装置的投影效果进行评估。结果表明:在衍射光学元件设计过程中采用高斯光束作为光源时,该结构能更好地抑制零级衍射,获得光强分布更加均匀的投影点阵。此外,该结构不仅可省去透镜的安装,减小投影装置尺寸,还可通过流片工艺实现光源和衍射光学元件一体化集成。     

用于光束整形的环带相位型光瞳滤波器

高数值孔径物镜下,必须采用矢量衍射方法研究焦点区域的光强分布.根据矢量衍射理论,研究了利用三环相位光瞳滤波器实现光束整形的技术.通过对数值孔径为0.85的物镜焦点区域光强分布的数值模拟,利用优化搜索算法得到了可以实现光束整形的三环相位结构.模拟结果表明,利用三环相位光瞳滤波器,不仅可以在焦面上实现光强的平顶分布,而且还...     

位相型单缝衍射因子的实验研究

对二元光学元件单元结构的衍射因子进行了实验研究。用微电子技术制作了位相台阶数分别为 2、3、4、8等几种结构的单元 ,对其衍射光强分布进行实验测量 ,用光电池将光信号转换为电信号 ,由 x-y记录仪测试出其光强分布曲线 ,实验结果与理论分析一致。     

激光全息防伪标识质量检测方法的研究

提出一种对光源输出功率稳定度要求相对较低的激光全息防伪产品光学特性参数检测方法.使用一块透反比一定的玻璃基片,将相对不稳定度3%的He-Ne激光器输出光束分为两柬:反射光和透射光.两束光光强度比例恒定,测量反射光强计算出透射光强度.透射光作为再现光照明激光全息防伪标识,其衍射光构成物体再现像.实时探测标识光栅处以及无光栅处的衍射光强与反射光强,进而得到光栅处衍射光强与再现光强的比值及其与无光栅处衍射光强的比值,即全息防伪标识的衍射效率和信噪比.实验结果表明:透射光强测量值相对误差不超过0.2%;衍射效率及信噪比的测量值相对误差分别不超过0.8%和1.9%.     

纳秒无衍射贝塞耳光脉冲参量的分析与测定

从理论和实验两方面分析测定了纳秒无衍射贝塞耳光脉冲的相关参量.由广义惠更斯-菲涅耳衍射积分理论出发给出了平行光通过轴棱锥后的光场分布、最大无衍射准直距离、最小中心光斑半径等参量的表达式,并进行相关参量的数值模拟.实验采用平-抗共振环(ARR)腔被动调QNd∶YAG激光器和轴棱锥系统获得了高稳定的纳秒贝塞耳光脉冲,测定了其脉冲宽度、最大无衍射距离、横面光强分布及最小中心亮斑尺寸,实验结果与理论分析相吻合.利用胶片扫描法给出了光脉冲的截面光强分布精细结构,其分辨率远高于普通的光束分析仪.     

DMD衍射特性及其在红外场景仿真中的应用

为了提高基于数字微镜器件(DMD)的红外场景仿真系统输出图像对比度,分析了DMD的结构及工作原理,利用其类似闪耀光栅的结构特点,建立仿真模型.利用傅里叶光学分析其衍射特性,并用MATLAB进行仿真.当单色平行光入射,通过改变输入光波波长,分析衍射光强分布变化,得出入射光波波长与微镜片越相近,衍射效果越显著;通过改变入射角,分析衍射光强变化,得出在一定范围内改变入射角,衍射光强发生偏移,对输出图像影响发生变化.在红外场景仿真系统中,可以通过改变光源入射角提高输出图像的的对比度.     

发散球面波对射光束角漂包容性能的研究

用锥镜产生的无衍射光可以具有大光学口径和光学数值孔径,使无衍射光对入射光束的偏心有一定的包容能力.为了研究无衍射光对激光束角向漂移(角漂)的包容性能,采用发散球面波入射光束,通过理论分析和试验验证可知,发散球面波的无衍射光对激光束角漂具有良好的包容性能.结果表明,此方法产生的无衍射光可适于作中、短距离连续空间直线度误差测量的直线基准.     

棱镜组产生宽区域近似无衍射栅型结构光

提出一种产生近似无衍射栅型结构光的新型光学系统,该系统由若干块三角棱镜组合而成。解决了现有技术产生近似无衍射栅型结构光的栅型条纹区域小,无法应用于全场测量的问题。采用干涉理论详细分析了产生近似无衍射栅型结构光的物理过程,给出了光束相关参数的计算公式。应用光学分析软件Zemax模拟了新型光学系统后不同位置处的光强分布,模拟结果与干涉理论分析的结果基本一致;进而对几种系统误差对输出光束的影响进行分析。研究结果表明:平面波通过新型光学系统能够产生一种具有宽测量区域、参数调节灵活等特点,同时抗干扰性能较好的近似无衍射栅型结构光。     

非相干LED白光产生无衍射光的光源设计

非相干光源产生无衍射光束的实验中,入射光束的均匀性对产生无衍射光束的质量有很大影响。文中以非相干光源白光LED为例,通过对LED自身发光特性的分析,对光线传播过程进行数学建模,用非成像光学光通量守恒原理,对均匀照明设计方法进行理论推导,得到了一种基于非成像光学产生均匀光束的透镜设计方法。用三维建模软件进行建模并用光学仿真软件进行光线追迹,确定用该方法设计的透镜能满足实验对入射光束均匀度的要求,并初步实验获得较高质量的零阶无衍射Bessel光,验证了该设计方法的合理性。     

分数阶无衍射光束的实验研究

实验研究了轴棱锥聚焦分数阶涡旋光束获得分数阶贝塞尔光束。研究结果表明：当分数阶涡旋光束通过轴棱锥聚焦后,获得的分数阶贝塞尔光束其横截面上的光强分布具有高阶无衍射贝塞尔光束的特点;在轴棱锥后的最大准直距离内,光斑的形状基本保持不变,即呈现出很好的无衍射传输特性;另外还研究了轴棱锥角度改变对分数阶贝塞尔光束的影响,实验结果表明,轴棱锥的角度越大时,横截面光强图中的中心空心越小。     

无衍射光束中心光斑的特性研究

为了将无衍射光应用于大景深成像系统中,分析了无衍射光束中心光斑的变化规律。利用菲涅耳衍射理论,讨论了无衍射成像系统中点光源在透镜焦点及焦点前后所产生的无衍射光斑形式。并根据准单色光理论,推导出准单色点光源在不同位置产生的中心光斑的尺寸和强度计算公式。最后,用红色高亮发光二极管作为准单色光源进行了验证实验。实验结果表明,无衍射光束中心光斑的半径随点光源距透镜距离的增大而减小,其强度随点光源距透镜距离的增大而增强。所得的结果为无衍射光应用于成像系统提供了理论依据。     

Propagating property of flat-topped multi-Gaussian beams passing through a misaligned optical system with two-lens and two-diaphragm

The optical elements' maladjustment is a potential threaten in optical systems,thus,the transmission feature of laser beams passing through a misaligned optical system is widely studied.By using approximate expansion of circle diaphragm and generalized Huygens-Fresnel diffraction formula,a universal analytic expression is deduced for the flat-topped multi-Gaussian beams passing through a misaligned optical system with two-lens and two-diaphragm.The study on the propagating property of fundamental-mode Gaussian beams and a flat-topped multi-Gaussian beam is carried out accordingly.The expansion of complex Gauss function of misaligned optical circle diaphragm is given,as well as a group of new parameter values of the expansion of complex Gauss function.By using the new parameter values,the influence of disadjust parameters on output intensity distribution is analyzed numerically.The result shows that the diaphragms'offset can make the beams offset or covered,and the second diaphragm influences more;the angle deflection of diaphragms can make light beams compressed in the deflection direction,and the first diaphragm influences more;the offset of the first lens can weaken light intensity in the same direction of the lens offset,and the offset of the second lens can weaken light intensity in the opposite direction of the lens offset;the angle deflection of the first lens can make light beams move to the opposite direction,and the angle deflection of the second lens has no influence;when all the diaphragms and the lenses are disadjust,the angle deflection of the first lens has a vital influence to the output intensity distribution.     

大气湍流对拉盖尔-高斯光束传播质量的影响

为了从系统的角度研究大气湍流对涡旋光束传播 质量的影响,根据广义惠更斯-菲涅尔积分和Kolmogorov湍流大气原理,利 用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法对携带有轨道角动量(OAM)的 拉盖尔-高斯(LG)光束在湍流大气中的传播进行理论分析与数值仿真, 导出角谱形式的衍射模型及其对应的抽样限制条件。利用桶中功率(PIB,power in bucket)计算方法,分析湍流强度对不同OAM值的LG光束质量的 影响;引入高斯光束和点光源,对比评估典型光束的抗湍流能力。数值仿真结果表明:受大 气湍流影响,随着LG光束在湍流大气 中传播距离增加,光束会聚能力变弱有明显扩散;光束本身特有的环状光强分布及其相应的 相位分布都受到不同程度的破坏,损伤 程度与光束本身携带的OAM数有关;点光源对湍流的影响最为敏 感;高斯光束具有与小OAM值的LG光束相比拟的抗 湍流能力,且比大OAM数的LG光束有更强的抗湍流能力。     

圆形周期介质内艾里光束的传输特性

为了研究无衍射光波在特异材质内的传输特性，实现更优良的光波通信，将传统右手材料和双负折射率材料相结合，提出了一种轴向阶跃变化周期圆形介质结构。基于广义惠更斯-菲涅耳光学积分公式，结合光学传输矩阵，分析了艾里光束在这种传输媒质中出射表面光强分布特性和侧面传输光强分布图；分析了负折射率参量对这类光波演变的影响及其补偿机理；分析了实现输出光波完美还原时，负折射率大小同介质单元长度的定量关系。结果表明，当介质孔径逐渐减小时，有限艾里光束衍射效应越来越严重，并且出射光强外形轮廓逐渐从艾里光束过渡到高斯光束；当双负折射率材料的折射率n_l的绝对值大于右手材料的折射率n_r时，出射表面实现光波完美还原的双负折射率材料单元层越长，反之则越短。该研究对分析周期或准周期轴向阶跃变化的圆形平板介质光波通信是有帮助的。     

Propagation and self-healing properties of Lommel-Gaussian beam through atmospheric turbulence

The superposition of basic non-diffracting beams triggered new research hotspots lately, laying opportunities for long-distance wireless optical communication. The Lommel-Gaussian (LMG) beam formed by the superposition of Bessel-Gaussian light not only possesses non-diffraction feature, but also has tunable symmetry. With the help of Poynting vector analysis, we observed a smaller radial energy flow component during the propagation of the high order symmetrical LMG beam, which allows it to maintain the original beam profile over long distance. Thanks to the energy oscillation of the mainlobe and sidelobes, the mainlobe blocked by the symmetrical LMG beam can be restored. Also, the random phase screen with angular spectrum method is used to describe the beam behaviors in turbulence. The results show that the symmetry LMG is preferred in free space optical communication, and the asymmetric LMG performs poorly due to asymmetric energy transfer.     

Bessel beams from semiconductor light sources

We report on recent progress in the generation of non-diffracting (Bessel) beams from semiconductor light sources including both edge-emitting and surface-emitting semiconductor lasers as well as light-emitting diodes (LEDs). Bessel beams at the power level of Watts with central lobe diameters of a few to tens of micrometers were achieved from compact and highly efficient lasers. The practicality of reducing the central lobe size of the Bessel beam generated with high-power broad-stripe semiconductor lasers and LEDs to a level unachievable by means of traditional focusing has been demonstrated. We also discuss an approach to exceed the limit of power density for the focusing of radiation with high beam propagation parameter M². Finally, we consider the potential of the semiconductor lasers for applications in optical trapping/tweezing and the perspectives to replace their gas and solid-state laser counterparts for a range of implementations in optical manipulation towards lab-on-chip configurations.     

基于分数泰伯效应的双波长微距分束的研究

微距光谱分束是红外领域小型双波段成像系统的关键技术之一。利用菲涅耳衍射理论和角谱理论,研究了双波长和宽角度入射光场通过阶梯光栅在分数泰伯距离下的衍射特性。建立了基于阶梯光栅的双探测阵列成像模型,数值模拟了入射波长分别为4 m和4.5 m的光束在-30~30入射角度范围的光栅分束结果,获取了探测面上的发光强度、能量和信噪比等参数值。此文的研究成果可为构建微型双波段成像装置及设计精密光谱分束器件提供理论支持。