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。     

《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。     

圆环衍射效应下涡旋光束的光强变化

为了分析拓扑电荷数以及相干性对部分相干涡旋光束的影响,利用部分相干光的统一理论和惠更斯-菲涅耳衍射原理,推导出随机电磁涡旋光束在自由空间中传播时,尤其是部分相干涡旋光束经圆环衍射后光强的计算公式,研究了部分相干涡旋光束通过圆环后的夫琅和费衍射特性。通过理论分析与数值计算表明,部分相干涡旋光束经圆环衍射后的光强分布情况与入射光的相干度、入射光束的拓扑电荷数、衍射孔径的大小等因素有关。当入射光束的拓扑电荷数越大,相干长度越长,衍射孔径越小时,衍射光束的光强分布会更加清晰,衍射效果也更加明显。     

振幅调控双曲余弦高斯涡旋光束的聚焦特性

研究了双曲余弦高斯涡旋光束不同振幅参量对光场分布的影响。在相同光涡旋的情况下改变振幅的大小,在焦平面上场强分布变化明显。涡旋光束的拓扑数对光束的聚焦特性存在明显影响,不同的拓扑数会引起聚焦区域光强分布变化,另外也产生一些新的多焦点阵列和多重菱形聚焦图案。     

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。     

基于双环形旋涡相位调制的多焦点产生

为提高光学显微成像及微粒控制的效率,提出一种通过双环形旋涡相位板对入射光为拉盖尔高斯柱矢量光束进行波前相位调制的多焦点产生方法。通过Debye矢量衍射理论分析了该相位板对焦点区域光强分布的影响。分析表明,经调节内外环旋涡相位拓扑数及内环的半径,可以对焦点区域光强分布进行整形,在焦平面上产生多焦点,而且通过改变入射柱矢量光束的偏振态,可以进一步得到光场由轴向分量为主的多焦点及由横向分量组成的多焦点。通过改变旋涡相位板的拓扑数及光束的参数,可以达到对光斑的数量的控制。这对于捕捉折射率高于周围环境折射率的微粒具有重要的应用价值。     

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。     

封隔器金属密封元件设计及密封特性研究

采用NiTi合金材料设计一种用于压缩扩张式的封隔器的新型金属密封元件,建立密封元件及其组件的数值模型;提出采用最大应力、坐封力和接触应力对密封元件密封性能进行评价,并分析结构参数变化对其密封性能的影响规律。结果表明:最大应力随膨胀环半径和拱形半径单调增加,随承压环宽度、拱形厚度和卸载槽半径先减小再增大;坐封力随承压环宽度、膨胀环半径、拱形半径和拱形厚度单调增加,随卸载槽半径单调减小;接触应力随承压环宽度、膨胀环半径和拱形厚度非线性增大,随拱形半径和卸载槽半径非线性减小。拱形半径和拱形厚度对密封元件密封性能影响较为显著,且适当减小拱形半径或增大拱形厚度可提高其密封性能。     

轴棱锥顶点加工精度分析

由菲涅耳衍射理论出发详细地分析轴棱锥顶点加工误差对光束传输特性的影响。分析指出,当轴棱锥顶点加工成圆形时,它相当于一个平凸镜,对光束起点聚焦作用;而双曲线顶点模型更贴近真实加工的轴棱锥,这时衍射光束因为干涉原因产生振荡,形成畸变无衍射光束。文章理论推导了不同顶点加工轴棱锥的衍射光场表达式,模拟分析了光束传输变换特性,最后针对双曲线顶点加工的轴棱锥提出改进方案,修正后的光束特性效果理想,对实际加工的轴棱锥应用具有很好的指导意义。     

螺旋相位调制双曲余弦高斯光束的梯度力研究

光梯度力在光镊技术中起着非常重要的作用。数值模拟了螺旋相位调制双曲余弦高斯光束在焦平面上光梯度力的变化。研究结果表明:双曲余弦高斯光束的偏心参数、螺旋相位的拓扑数可以显著地调节光梯度力分布,并且会出现一些新奇的光梯度力分布,如构成圆环形光陷阱、矩形光陷阱、阵列光陷阱等;另外,对于不同数值孔径、不同拓扑数,光梯度力随双曲余弦高斯光束的偏心参数的演化规律也显著不同。     

干摩擦条件下载荷动特性对摩擦面粗糙度的影响

在自行研制的环 -块磨损试验装置上研究了干摩擦状态下矩形波载荷特性对摩擦面粗糙度的影响 ,结果表明 :1随着磨程的进行 ,摩擦面粗糙度将达到一个稳定值—平衡粗糙度 ,其大小与摩擦面初始形貌无关 ;2当载荷波形占空比 φ较小时 ,平衡粗糙度 Rsq 对φ的变化敏感 ,且随 φ的增加而增加。当 φ足够大时 ,Rsq 几乎不随 φ而变化     

旋冲载荷下传动轴组合密封沟槽敏感参数研究*

随着勘探深度的增加,地层压力升高和岩石硬度增加,螺杆钻具经常发生横向涡动、纵向跳动、扭向振动及黏滑现象,限制了冲击螺杆钻具的推广应用。为研究高温、高转速和往复运动耦合作用下传动轴总成密封特性及参数敏感性具,对比相同工况下星形圈、O形圈和组合圈密封特性,得到不同密封圈在静密封、动密封状态下接触压力分布,根据主密封面接触压力判定方法得到最佳密封圈结构。根据该结构研究沟槽敏感参数,并讨论沟槽形状、位置、数目和宽度等对组合圈密封特性的影响。结果表明:组合圈密封效果远远优于O形圈及星形圈;沟槽形状采用等腰三角形、沟槽数目为3时密封性能最优,沟槽位置于中间最合理;静、动密封状态下,主密封面接触压力随沟槽宽度增大而增大,而静密封状态下次接触面接触压力及O形圈应力几乎不变。     

基于正交试验的纯水液压缸鼓形密封结构改进

为提高纯水介质下液压缸活塞用鼓形密封的性能,以ZY10000-20-40DB型掩护式液压支架的活塞密封为研究对象,利用Ansys有限元软件建立鼓形密封结构二维轴对称模型,通过正交试验的方法,分析活塞内外行程情况下,不同密封沟槽结构参数和密封圈结构参数的鼓形密封的密封性能以及破损特性,并对鼓形密封结构进行优化。结果表明：相比于密封圈结构参数,密封沟槽结构参数对密封性能的影响较小,沟槽内倒角的尺寸变化对密封性能没有影响;密封圈边长尺寸过大或过小都会引起应力的集中;最大von Mises应力和接触应力都随着密封圈外凸圆弧半径的增大而增大,随着密封圈内凹圆弧半径的增大而减小。优化后的鼓形密封的最大接触应力增大18%～20%,密封性能显著提升。     

The transverse structure of cold field electron emission

Solutions of Schrödinger’s equation have been obtained for electron emission from a small area in a system of planar electrodes. In a uniform field, wave components with non-zero transverse phase constant see a greater height and width of the potential barrier than the normal component does, the extra energy being that corresponding to the transverse momentum. Also the total intensity shows a Gaussian decrease as beam radius increases, even for a point source. The characteristic Gaussian radius increases as the square root of the distance from the starting plane. In contrast, flow from a point source into a region of uniform potential does not show these effects, but spreads much more broadly.     

Investigation of different aspects of laminar horseshoe vortex system using PIV

Juncture flow is a classical fluid mechanics problem having wide applications in both aero and hydro dynamics. The flow separates upstream of the obstacle due to the adverse pressure gradient generated by it, with the formation of the vortical structure called “horseshoe vortex.” The current study is carried out for an elliptical leading edge obstacle placed on a flat plate to investigate the horseshoe vortex for a range of Reynolds number (Re_W) based on maximum width (W) for which the incoming boundary layer is laminar. Four different types of horseshoe vortex systems were found: the steady, amalgamation, transition and breakaway. The transition vortex system is one after which the vortex system changes from amalgamation to breakaway. In this phase the vortex system alternatively undergoes both amalgamation and breakaway vortex cycles. The effect of variation in the chord wise shape of the obstacle is investigated. The quantitative measurements of PIV show that the vortex system does not undergo any significant change for different chord lengths of the model with the fixed aspect ratio and maximum width. The most upstream saddle point is also studied for steady horseshoe vortex region and found that it is the “saddle of attachment” where flow attaches to the plate surface instead of separating from it.     

锥阀典型面密封结构空化喘振数值仿真研究

针对锥阀典型面密封结构中的空化流场进行了数值仿真研究,基于LES湍流模型、mixture多相流模型与Schnerr-Sauer空化模型,研究复现了阀口大尺度空穴。研究表明:面密封结构易导致流束内收缩效应,形成流束外扩与阀座壁面贴合的固定漩涡,进而诱导固定空化的形成。固定空化在恒定的入口压力条件下表现出尺度周期交变的喘振特性。出口压力条件不改变空化喘振频率,但出口压力越小喘振幅值越大。开度增大导致空化尺度先增大后减小,故喘振幅值先升高再下降;同时导致空化发育速度变慢,喘振频率下降。可依据对喘振特性的预测设置蓄能装置,实现更优的空化喘振削弱效果。