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。     

完美涡旋光的自由空间传播特性

理想完美涡旋光束是一种光强分布不随拓扑荷数的改变而改变的特殊光束,与普通涡旋光束相比,其可以大幅提升在微粒操纵、光纤传输等方面的应用效率。为了探究完美涡旋光束的自由空间传播特性,利用汉克变换详细计算并分析了拓扑荷数、初始面光环半径以及环宽度对其衍射特性的影响,发现完美涡旋光束不具备无衍射特性,光环会随着衍射距离的增加而展宽并逐渐向贝塞尔函数转变。当初始面光环半径增加或环宽度减小时,衍射效应增强,其中环宽度的影响要大于光环半径。与前两者相比,拓扑荷数对衍射效应的影响较小。研究结果对完美涡旋光的进一步应用提供了有益的理论参考。     

《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。     

运动调制参考光实时全息测量位移方向研究

提出用物体运动调制参考光实时全息测量物体位移方向的理论、方法和技术。用一束近似平行的光照射贴有反射镜的物体,由两者分别反射到全息干版上的物光和参考光相干涉形成和记录实时全息图。用原记录光束照射全息图,使试件沿一定方向位移,通过实时全息图观察到的实时干涉条纹会随观察点的移动而移动。物体位移方向、干涉条纹位移方向和观察点位移方向之间有确定的关系,推导了这种关系的数学表达式。根据这种关系归纳出了测量物体位移方向的基本法则。用不同试件完成了测定位移方向的实验,验证了所提出的新理论、新方法和相应新技术的正确性。     

应用激光全息技术制造衍射光栅的研究进展

用全息技术制造衍射光栅就是通过摄制点源的全息图而制造的光栅。大家知道,全息图所记录的是物光和参考光之间的干涉条纹,它相当于一个复杂的光栅。当物光和参考光均为点源时,其干涉条纹就有比较简单的规律,所得到的全息图可视作一个广泛意义下的光栅。     

基于BSO晶体反射式全息光栅的振动测量系统

以光折变晶体硅酸铋(BSO)为记录介质,构建了基于反射式全息光栅零差干涉振动测量系统。系统中的参考光与被振动信号调制的信号光以反射式记录全息的方式射入BSO晶体,在晶体内干涉形成反射式动态全息并实时衍射,通过对信号光的透射光和参考光的衍射光所形成的干涉信号进行解调即可得到所测的振动信号。研究了两入射光束夹角、光强比、晶体晶向等测量条件对系统测量灵敏度的影响,分析了耦合增益与测量灵敏度的关系。结果表明,以压电陶瓷(PZT)为被测对象时,系统最高可探测到频率为360kHz的振动信号。分析显示:由于反射式全息降低了布拉格光栅的空间周期,提高了入射晶体的信号光和参考光的耦合效率,故其测量灵敏度高于透射式全息光栅振动测量系统。     

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。     

全息扫描镜直线扫描分析及像差校正

介绍了全息扫描镜的原理,给出了等空间频率分布及变空间频率分布的全息扫描镜结构.基于全息图相位及相位传递函数方法,分析了全息扫描镜产生直线扫描条件,推导出记录子全息图各参数之间的关系,得出了利用短波长光记录子全息图,用长波长光再现,实现线性扫描的结果.提出了由于波长移动引起的像差校正方法.分析了摆动与偏心对扫描特性的影响.简介了所设计的变空间频率分布的全息扫描镜.     

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。     

单光束分波前调制参考光两次曝光全息测位移方向

本文提出用单光束分波前调制参考光两次曝光全息测量物体位移方向的方法。在两次曝光全息图的记录过程中，置物体一侧的反射镜作微位移，反射镜反射的参考光被调制，由此记录的双曝光全息图含有物体位移方向的信息。在测量光路统中，设置了两张全息干版，一张用于记录单光束分波前调制参考光两次曝光全息干涉图；另一张记录非调制双曝光全息干图。前者用来分析物体的位移方向，后者用于计算物体位移的数值。通过分析，从理论上确定了物体位移方向与反射镜位移向之间的基本规律。文中着重阐述了位移方向的测量原理，导出了相关公式，给出了实验结果。     

移频式全息光栅曝光干涉条纹锁定系统的设计

建立了移频式全息光栅曝光干涉条纹锁定系统以提高全息光栅槽型对比度并降低由外部环境造成的曝光干涉条纹相位移动。根据系统的组成原理,分析了相位测量系统中莫尔条纹的产生条件及其与干涉条纹相位变化的关系,给出了探测器的选择方法。根据系统精度要求计算了A/D转换位数,自行设计了数字控制系统。提出采用光束移频方法来调整条纹相位,应用声光调制器对干涉条纹移动进行实时校正。实验结果表明,该系统采样频率可以达到5kHz,对干涉条纹漂移和10Hz以下的低频振动都有较好的抑制作用,相位变化3σ值小于0.12rad,即相位变化小于±0.02个干涉条纹周期。该系统可以实时有效地锁定曝光干涉条纹,较好地满足全息曝光的要求。     

彩色全息光电再现倍率色差的消除

针对基于空间光调制器的彩色全息光电再现系统在利用计算全息图进行光电再现时会由于三色激光波长不同造成再现像出现倍率色差,影响再现效果的问题,本文重点分析了倍率色差产生的原因.为了消除倍率色差,提高彩色光电再现像的质量,提出了在全息图计算过程中对物信息进行差别采样来消除倍率色差.基于时分复用方法搭建了彩色全息光电再现系统,...     

基于全息图放大的数字全息显微结构测量

针对典型预放大数字显微全息光路中存在的二次位相误差,本文设计了基于全息图放大的数字全息显微光路。此设计中,光束首先照射透明显微物体,然后与平行参考光干涉,形成全息图,最后经显微镜获得放大的全息图。这种光路从系统上直接消除了主要由球面波引起的位相畸变,有利于数字处理及实时化。作者以位相光栅(30 lines/mm,槽深约0.3 µm)作为实验样本,对此光路进行了分析研究,并分别用菲涅耳近似法和卷积法再现单幅全息图,同时获取了物体的强度信息和三维位相信息,位相深度的计算结果为0.27 µm。结果表明本文设计的光路对二次位相产生的离焦误差有明显的抑制作用。     

用全息透镜实现自参考光全息

一、引言自参考光全息术是利用物体表面散射光波的一部分形成物体的象,另一部分作为参考光记录象面全息图。这种象面全息图可以用扩展的白光照明再现。这种记录方式的优点是:①可以利用相干光程较短的激光记录,②物体有微小振动不影响参物光束的光程差;③记录高速运动的物体时,因物体运动产生的都卜勒频移没有影响。在文献[1,2]中,已报导了若干自参考光全息的记录光路。这些系统的共同点是利用普通透镜成象,其缺点是参考光弱,不能获得优质的全息图。在文献[2]中虽已提及用全息透镜实现自参考光全息,但它是用近轴全息透镜,参物夹角很小,再现象受照明光的影响。本文提出用离轴角较大的全息透镜记录自参考光象面全息图,克服了上述各种缺点,能获得最佳参、物光束比。这是由于近年来在全息干板处理方面发展了一些新的技术,可以获得所需要的衍射效率,这样用全息透镜实现自参考光全息,就可以根据不同的情况得到最佳的参、物光束比,得到高衍射效率的全息图。     

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。     

全息条纹元件在光学仪器中的应用

<正> 光学元件在光学仪器中一般起转折光线的作用。大多数光学元件是利用光学介质的界面的反射和折射来改变光束方向的。当然也可以用光衍射原理来达到上述目的。最早的衍射光学元件是在1896年瑞利发明的波带板。近代光学仪器中常用的各类衍射光栅就是利用衍射来实现其复杂功能的元件。利用全息方法记录的光束(二束或二束以上)干涉衍射全息图,其理论模型从广义上可看作是一种复杂的变间距的衍射光栅——全息光学元件(HOE)。因此HOE是一种有别于像     

空间光调制器DMD多级谱复频成像的研究

依据DMD空间光调制器的调制特性及复频成像特性,设计了一个紧凑的4f傅立叶变换系统,对DMD的多级衍射谱进行复频输出,极大改善了仅用DMD零级衍射谱作为图像读出的光亮度.利用DMD空间光调制器复频成像输出装置构建的一个合成全息图的拍摄系统,拍摄了具有高对比度、低噪音的合成全息图.     

采用KNSBN:Ce光折变晶体同时记录物体的两种全息图

由于KNSBN：Ce光折变晶体对He－Ne激光有较强的非线性效应，在双光束耦会放大中有较大的耦合放大系数，在全息记录中又可达到较高的衍射效率，且易生长，加工，又由于He－Ne激光的实用性和稳定性，因此KNSBN：Ce光折变晶体在全息存储等方面将会得到更普遍的应用。无论是透射或反射的体积全息图，当全息图再现时，只有满足布喇格条件，全息图才可以产生一个再现象，在通常的全息记录条件下，若不采用特别的措施一般难以同时制作透射和反射全息图，因此也无法同时得到这两种全息图的两个再现象。在使用KNSBN；Ce光折变晶体的全息实验中，我们发现：由于晶体内表面的反射，人射的物光除大部分透射外，还有小部分反射。这束反射光虽然相对其人射物光或参考光而言很弱，但是在一定的条件下，这束微弱的反射物光仍然可以在和参考光的双光束耦合中得到放大并形成具有较高衍射率的全息图。在文献”‘中我们已分析讨论了利用晶体的人射光以及由晶体内表面的反射光作为泵浦光简单地产生相位共扼光的方法。这里我们进一步提出，用KBSBN：Ce光折变晶体作为全息记录介质可以在记录物体反射全息图的同时，又记录物体反射光而产生的透射全息图．     

气体激光器自激励产生各高阶厄米-高斯光束

为进一步研究涡旋光,推动涡旋光在通信和医学等方面的应用,需要产生稳定的各阶厄米一高斯（HG）光束.现通过对大数值孔径外腔式He-Ne激光器进行结构微调,并采取自激励的方法直接产生各种高阶HG光束.此方法操作简单,激光模式稳定,同时利用MATLAB计算出对应的高阶HG光束模式的横向光强分布.实验结果和理论计算结果基本一致,该研究为今后气体激光器的模式控制和分析奠定了一定的实验基础,得到的高阶HG光束可以用于稳定涡旋光的产生.     

三维物体全视差全息体视图的快速计算

针对传统全息技术对三维数据源要求高、计算量大以及实现速度慢等问题,提出了一种三维物体全视差全息体视图的快速计算方法。该方法对全息面和再现面分别进行空间分割和频谱采样,通过迭代傅里叶变换算法计算多个基元全息图,叠加构成全息图单元。由摄像机获取三维物体不同角度的二维视差图像,基于人眼双目视差立体视觉原理,构建视差图像与全息图单元的对应关系。最后,利用全视差图像调制全息图单元中对应衍射方向的基元全息图,快速合成三维物体全视差全息体视图。基于液晶空间光调制器构建的光学系统对全息体视图进行了再现实验。结果表明,与传统全息图计算方法相比,本文方法容易获取数据源,计算量较小,能够快速计算全息体视图,实现三维物体不同视角图像的再现。