空间光调制器模拟光栅产生高阶和分数阶涡旋光束

用空间光调制器模拟叉形光栅的方式产生高阶和分数阶涡旋光束,分离各阶涡旋光束并探究单级特性,探测其拓扑荷数以验证实验方法的正确性。设计了涡旋光束生成光路,编写了产生叉形光栅全息图的计算机程序,利用透射式空间光调制器模拟叉形光栅,以全息图的方式加载到空间光调制器上。调节参数改变全息光栅图样,得到拓扑荷数从1.0到100.0的整数阶与间隔为0.1的分数阶涡旋光束。利用孔径光阑分离出一级衍射,分析其特性并利用干涉法测量其拓扑荷数。实验发现,整数与分数阶光场分布与拓扑荷数为单调关系,拓扑荷数接近100时光束质量显著下降的特性,利用干涉法测得的拓扑荷数与计算全息图设置的参数完全相同。干涉测量结果验证了计算全息方法的正确性。该方法装置简易、参数可调,可为高阶和分数阶涡旋光的产生和应用提供一定的参考。     

基于相位计算全息的完美涡旋光产生和调控方法

空间光调制器模拟锥透镜法是目前最为广泛使用的产生完美涡旋光的方法,但是该方法无法调控光束环宽,为了解决这个问题,提出了使用傅里叶空间相位计算全息法产生、调控完美涡旋光。通过理论分析和实验测量证明,改变编码相位可以实时调控完美涡旋光的光环半径、环宽和拓扑荷数。该方法光路简单,产生的光束质量高,且光路只需进行一次调整,操作简便。另外,该方法还具有通用性强的优点,可用于产生各类变形完美涡旋光。实验产生了不同参数的椭圆形完美涡旋光,实验测量结果与理论结果吻合得很好。因此,傅里叶空间相位计算全息法是一种简便、通用、实用性更强的完美涡旋光产生、调控方法。     

808nm和980nm半导体激光迭阵波长耦合技术

为提高半导体激光器输出光功率,可将多个半导体激光器输出光束耦合成一束激光直接输出或者由光纤耦合输出,以提高半导体激光源的亮度及光束质量.本文采用波长耦合技术进行激光合束,将两种不同波长的半导体激光束通过非相干技术经波长耦合器件耦合输出以实现大功率高效率输出.介绍了非相干耦合技术中波长耦合原理及关键技术,根据波长需要设计了耦合器件,并自行设计光学系统对光束进行扩束聚焦.实验将808 nm和980 nm两半导体激光迭阵光束通过上述技术进行合束, 最终实现了更高功率输出,耦合效率达70%,光斑大小为3 mm×3 mm,可满足将半导体激光器直接应用于熔覆、焊接等场合的要求.     

高斯涡旋光束通过像散透镜后的相位奇异特性

光场相位奇异特性研究在奇点光学研究领域中具有非常重要的意义。本文运用广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式推导出高斯涡旋光束通过像散透镜后的光场分布表达式,并研究了它在几何焦平面上的相位奇异特性。结果表明,高斯涡旋光束通过像散透镜后在几何焦平面上存在相位奇点,相位奇点受到透镜的像散系数、光束束腰宽度和涡旋离轴量等参数的影响。在一定条件下,几何焦平面上出现直刃型位错线或光涡旋。当像散系数为0时,光涡旋出现在y轴上。当像散系数不为0,而涡旋离轴量为0时,会出现直刃型位错线或光涡旋,且各自的位置都非常稳定。当像散系数、涡旋离轴量或束腰宽度改变时,光涡旋会发生移动。这对光学元器件的设计和涡旋光束相位奇点的控制有一定的参考价值。     

高功率激光热效应对合束系统的影响

提出利用镀膜合束的方法对三路光束进行合束用于高功率红外激光合束系统设计。考虑系统中关键元件使用的红外材料ZnSe易受热效应影响,采用光机热耦合分析方法,研究了在温度边界条件固定时,各波段激光所产生的耦合热效应对各路激光波前畸变的影响,同时定性分析了系统中存在的激光偏置热效应。研究结果显示,系统中各波段的激光波前畸变均方根值(RMS)均满足设计要求(各波段波前畸变小于λ/8);激光偏置造成的波面高频成分增大了长波激光波前畸变量,但高频成分对系统波前畸变影响依然满足要求;轴向温差可在35s达到平衡,对光束波前造成主要影响的是各块镜片的面型畸变。根据分析结果搭建了实验平台,利用系统中短波400 W激光进行实验,采集了该条件下的面型并与仿真结果进行了对比,实验结果验证了该分析方法计算结果的准确性。     

《波动光学》课程中光束涡旋相位的实验演示与研究

相位是光的重要特性之一,涡旋光束具有螺旋形波前结构、光强呈环形分布、确定的轨道角动量、存在着相位奇点等,其在光学信息传输、光学微操纵、显微成像、激光微加工等领域中得到广泛的应用。因此,关于涡旋光束的研究成为了现代光学中的一个重要研究领域。涡旋光束的拓扑荷数是涡旋光束的一个重要的属性,拓扑荷数是区分不同涡旋光束的一个重要特征。本文的重点就是应用Sagnac偏振干涉仪对涡旋的光束的拓扑荷数测量方法进行研究。     

水雾对激光引信的衰减

由于水雾会使激光信号产生严重的衰减,从而影响激光引信探测的应用,本文着重研究了绿激光在水雾中传输的衰减特性.首先,基于Mie散射理论,建立了水雾对0.532 μm绿激光光束的传输衰减模型;然后,通过仿真计算,对比分析了激光在不同能见度水雾下的衰减特性;最后,通过水雾模拟实验验证了衰减模型的准确性.理论分析和实验结果表明,激光光束的衰减明显受水雾能见度的影响,并随着能见度的降低而增大;0.532 μm激光在水雾中的穿透率较高,能见度在50 m时可以达到60％以上.实验测得的光能量的透射值与计算值基本一致,最大误差在4％左右,证明了水雾衰减模型的正确性.得到的结果为绿激光在水雾环境下的目标探测系统中的应用提供了理论和实验依据.     

半导体激光阵列合束技术的研究

综述了几种典型的半导体激光阵列合束方法,介绍了近年来半导体激光光束合成的最新进展,分析了各种合成方法的技术特点,总结了半导体激光阵列合束技术的发展趋势.研究发现光谱合束技术的输出光束光强分布不随阵列单元数而变化,且在远场和近场均能保持较好的叠加,大大提高了远场光束的亮度,有望成为未来半导体激光光束合成的重要发展方向.     

基于坐标转换的分数轨道角动量探测

具有轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)的涡旋光束因其无穷的空间状态，在经典光学和量子光学中备受关注。近年来，通过引入分数OAM的涡旋光束来增加OAM模式维度的复用能力。然而，如何高效探测分数OAM模式仍然是一个有待解决的问题。通过逆向设计结合坐标转换的方式对分数OAM模式进行探测。首先，分数OAM模式通过扇形转换调制，得到螺旋相位梯度成倍增加的光场。其次，通过对数转换的转换相位叠加逆向设计的补偿相位调制光场。最后，实现对拓扑荷数间隔为0.1的21阶OAM模式的探测。结果发现，两束复用分数OAM光束经过系统后，光斑能被分开的最小间隔为0.6。同时，系统仍然能保持83%的高衍射效率。这为解决高效率、超高维度的光学处理领域提供了一种有效的方案。     

金属薄膜边缘诱导改变谐振激光模式实验

为研究在不同方向移动的金属薄膜边缘的干扰情况下谐振激光模式的改变现象,调节定制的氦氖激光谐振腔产生高阶高斯光束,用金属薄膜边缘进行干扰,并用CCD相机对光束的演变过程进行详细记录。随着金属薄膜边缘沿X和Y正方向上位移的增加,出射的激光模式由高阶向低阶模式演化,然后变成基模,变弱直到消失。原始激光模式的阶数越高,它的演化模式光斑形状越丰富。当用金属薄膜上方边缘向Y轴正向缓慢移动进行干扰时,激光模式的演化规则是最后趋于沿X轴的分裂模式;当用金属薄膜的左侧边缘向X轴正向缓慢移动进行干扰时,激光模式的演化规则最后趋于沿Y轴的分裂模式。     

基于傅里叶变换相位提取法的激光回馈应力测量系统

高端玻璃的内部应力精确测量关系其所在系统的安全性和可靠性。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法,激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成,待测样品放置在回馈外腔中,通过回馈光对激光器内部增益调制产生的偏振跳变现象提取双折射信息,进而获得应力。首先,从理论上分析了回馈系统中激光器输出的正交偏振模式相位与外腔应力双折射的关系;接着,通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息;然后,采用标准四分之一波片对系统和算法的精度进行了测试。最后,采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量,并给出测量结果。实验结果表明:该系统对应力的条纹数测量精度优于8.3×10-4,满足高端玻璃的应力检测需求。     

High-order spline filter: Design and application to surface metrology

The differences between the transmission characteristics of the standard cubic spline filter and the Gaussian filter lead to different evaluation results even for the same profile. There is indeed an adverse impact on the comparison of measurement results and the applications of the related international standards. A novel high-order spline filter is proposed to resolve this practical problem of approximating the Gaussian filtering characteristic. The design of the new filter is based on an improved variational approach by adding the high order derivative terms to the bending energy part whose structural parameters are determined by the aid of the universal Taylor series, so as to realize the convergence to the function of the Gaussian filter. In addition, a cascade algorithm in terms of the low-order filters is also developed in order to ensure stable performance of the high-order filter. Its effectiveness and application were verified by the experiments.     

一种基于双目相机与单点激光测距仪的标定方法

近年来,随着工业机器人技术的不断完善,利用相机与激光测距仪结合测量的应用不断增多。为了使两者之间配合的更加便利,两者之间的标定是必不可少的。本文提出了一种基于双目相机与单点激光测距仪的标定方法,以双目相机光心为原点,建立相机坐标系。将单点激光测距仪光点打到标定板上,并在标定板上形成光斑,通过灰度重心法提取光斑中心像素点,利用双目相机的内参矩阵及深度数据获取光斑点的三维坐标值。然后利用两个三维坐标点建立公式求取外参参数的粗略解,同时通过相机坐标系下多个光斑点的三维坐标建立约束方程,并利用优化算法对约束方程进行优化,得到精确的外参参数值。该方法做法简单,且对标定器件无特殊要求,通过该方法得到的外参参数精度高,鲁棒性好。实测结果表明,通过该算法得到的外参参数进行重投影后,平均相对误差小于0.30%,能够应用于实际生产过程中。     

A tabletop femtosecond time-resolved soft x-ray transient absorption spectrometer

A laser-based, tabletop instrument is constructed to perform femtosecond soft x-ray transient absorption spectroscopy. Ultrashort soft x-ray pulses produced via high-order harmonic generation of the amplified output of a femtosecond Ti:sapphire laser system are used to probe atomic core-level transient absorptions in atoms and molecules. The results provide chemically specific, time-resolved dynamics with sub-50-fs time resolution. In this setup, high-order harmonics generated in a Ne-filled capillary waveguide are refocused by a gold-coated toroidal mirror into the sample gas cell, where the soft x-ray light intersects with an optical pump pulse. The transmitted high-order harmonics are spectrally dispersed with a homebuilt soft x-ray spectrometer, which consists of a gold-coated toroidal mirror, a uniform-line spaced plane grating, and a soft x-ray charge coupled device camera. The optical layout of the instrument, design of the soft x-ray spectrometer, and spatial and temporal characterizations of the high-order harmonics are described. Examples of static and time-resolved photoabsorption spectra collected on this apparatus are presented.     

Simple modification of a commercial scanning laser microscope to incorporate dark-field imaging

Dark-field imaging modes have attracted less interest in biological confocal microscopy than the extensive applications of immunofluorescence imaging. There are, however, certain biological and materials science applications where it is necessary to use a confocal imaging mode that is capable of partial or full rejection of light specularly reflected from coverslips, microscope slides or specimen surfaces. In this paper we present a simple modification of a commercial confocal microscope to incorporate dark-field imaging. We discuss theoretical aspects of the resulting dark-field imaging mode and also give experimental examples.     

Construction of 3D solder paste surfaces using multi-projection images

This paper aims to develop the 3D surface construction applications for the solder pastes using multi-projection images and the neural network approach. The proposed solution uses the image features of multi-projection angles as the inputs and the laser surface scanning results as the outputs of the neural network model to perform precise 3D solder paste surface construction. In this manner, the proposed methodology can measure the 3D solder paste surfaces in a precise way like the laser scanning results. The advantages of this work is to use a low cost and high speed image solution to overcome the disadvantages of high cost and slow speed laser solution while the inspection accuracy is maintained. The multi-projection images are captured from the multi-channel light source and the coaxial light source to perform precise and efficient inspections, respectively. On the other hand, the back-propagation (BP) neural network approach is used to construct the 3D solder paste surface models for various solder pad geometries. Finally, the proposed system was experimentally verified. The experimental results showed that the multi-channel light source solution with pad based learning achieves 95% volumetric accuracy in average, and the coaxial light source with sub-area based learning just achieves 80% volumetric accuracy in average when compared to the actual laser surface scanning.     

室内大面积激光测速光幕靶面光能均匀性研究

针对大横截面室内靶道弹丸测速需求,提出采用一字线激光器作为光源,L形排布的光电二极管阵列作为接收的室内大面积矩形探测区域激光测速光幕构建方法,并对光幕面内光能分布均匀性进行理论及实验研究。首先对单个一字线激光器的光能分布进行理论建模及分析,通过实验验证了理论分析的正确性;其次对用两个一字线激光器拼接作为光源的1m×1m激光测速靶靶面内的光能分布均匀性进行了实测研究,对实验结果进行了分析,并提出了进一步提高光幕均匀性的方法,通过研究为实用室内超大面积激光测速光幕的设计提供了理论指导及数据参考。     

激光显示中散斑的减弱

为减弱激光显示中散斑的影响,在对散斑对比度进行理论分析的基础上,提出了一种利用位相光学元件减弱散斑的方法。实验以绿光为光源,让激光束通过位相光学元件,再经过CCD相机和图像处理系统处理,得到屏幕上散斑对比度和光强的变化。实验结果表明:散斑的对比度降低到3.7%,可满足激光显示中对散斑减弱的要求。该方法具有简单易行、成本低、适合批量化生产等优点。     

On the effect of axial tension on the propagation pressure of long cylindrical shells

Local imperfections induced to long tubes subjected to high external pressures can lead to local collapse from which a propagating buckle can be initiated. This can result in catastrophic collapse of large sections of the structure. The lowest pressure at which such a buckle will propagate, known as the propagation pressure of the tube, is typically half an order of magnitude lower than the collapse pressure of the intact tube. In a number of modern deep water applications, long tubular structures are subject to high axial tension in addition to external pressure. The paper describes the results of an experimental study in which the propagation pressure of long metal tubes was measured in the presence of a constant, axial tensile force. Tension was found to significantly reduce the propagation pressure. A parametric study of the problem, augmented by a simple model of the phenomenon, has yielded approximate expressions for the propagation pressure in the presence of axial tension.     

非局域非线性介质中厄米高斯光束的变分解

非局域非线性介质中的薛定谔方程很难用传统的方法得出精确解析解,利用变分法系统研究了强非局域非线性介质中厄米高斯光束的传输问题。通过对非线性介质中响应函数的展开,使得非线性薛定谔方程得以简化,求解出高阶高斯光束孤子解。利用数值模拟研究了厄米高斯光束在介质中传输时束宽不变的问题,结果显示当非局域程度非常大时,解析解非常接近数值解。