短波红外超光谱成像仪前置物镜的设计

设计了一个短波红外透射式物镜用于超光谱成像仪.用色散公式计算了短波红外常用材料的阿贝数和部分色散数,并按照二级光谱的定义,计算了一些可用于双胶合的材料对.物镜采用Petzval结构,改进了可见光常用的PW设计方法,用于短波红外物镜设计的材料选择和初始结构计算.Petzval结构的物镜不能消除物镜的场曲,在焦面前加入一片平场透镜,用于扩展该物镜的有效视场.最后利用Zemax对系统的高级像差进行校正,获得像质良好的短波红外超光谱成像仪前置物镜.     

相位波带片型时间透镜研究

基于Opti-System软件,对相位波带片型时间透镜进行了深入研究。明确了中心波长对相位波带片型时间透镜焦距色散补偿量的影响机理,建立了中心波长、色散补偿量与输出光脉冲消光比及脉冲宽度间的关系。研究结果表明,相位波带片型时间透镜的焦距色散补偿量,在1 310~1 550 nm波长范围与光信号中心波长呈近似线性关系。通过线性拟合,得出焦距色散补偿量与中心波长的线性关系公式。对于不同波长的输入光波,可通过公式确定最佳焦距色散补偿量,实现最窄脉宽和最优消光比的光脉冲输出。研究结果可为优化相位波带片型时间透镜设计提供理论指导,进而拓宽相位波带片型时间透镜的应用范围。     

色散对液晶菲涅耳透镜衍射效率的影响研究

首先研究了液晶菲涅耳透镜和传统菲涅耳透镜的区别,并给出液晶菲涅耳透镜衍射效率的计算公式。接着,研究了液晶材料的色散和入射波长偏离量化波长对衍射效率的影响。经过计算分析并通过相应的实验发现,当量化波长为470nm时,在400nm和700nm处衍射效率分别下降了9.0%和27.5%,说明波长偏离对液晶菲涅耳透镜的衍射效率影响较大;当量化波长为510nm时,波长偏离在400nm和700nm处产生的衍射效率下降大致相当,约为20.0%;当在400nm和700nm处液晶的折射率变化量Δn基本相等时,液晶色散造成的衍射效率降低都约为8.0%。结果表明,和波长偏离相比,液晶色散对衍射效率的影响相对较小,且液晶菲涅耳透镜的量化波长应在470～510nm区间选取。实验测量了色散对液晶菲聂耳透镜衍射效率的影响,测量结果和理论计算结果非常接近,说明分析结论有效。     

基于激光光束质量测量的超消色差物镜设计

在激光光束质量测量时,为了避免每次测量不同波长激光都要对聚焦透镜的焦平面位置进行标定,降低测量误差,研究和设计了覆盖紫外至近红外波段的超消色差物镜。基于波像差的理论,推导了超消色差物镜初始结构求解的方程组。应用光学设计软件Zemax设计了工作波段为350~1100nm的宽光谱超消色差物镜,焦距为200mm,入瞳直径为25mm。给出了光学系统图、纵向像差曲线、焦移曲线及调制传递函数(MTF)曲线。设计结果表明,采用该方法设计的物镜,在0.707孔径处不同波长光线的球差曲线基本相交于一点,实现了超消色差;工作波段内的焦移仅为26.3μm,基本固定了焦平面的位置;在截止频率范围内的MTF均接近衍射极限,满足了紫外至近红外波段激光光束质量的测量要求。     

大口径宽光谱折射平行光管系统设计

介绍了大口径、宽光谱、折射式平行光管物镜的设计理论。结合项目设计实例：工作波长范围400nm~1100nm,焦距2000mm,相对口径1/10的折射式平行光管系统,论述了光学设计初期玻璃材料选取、初始结构选取与光焦度分配等问题。利用修正的相对部分色散P与阿贝数V建立复消色差方程组求解初始结构,使用Zemax软件优化设计出在全谱段范围内复消色差的平行光管系统。最后,给出Zemax软件分析的像差结果,系统中心视场内的点列图优于5μm ,中心波长波像差优于1/60λ,焦距色偏移量为0.33mm,其余像差均在设计指标之内。     

自聚焦共焦式微小内腔体探测技术

系统用自聚焦透镜代替共焦扫描显微镜中的聚焦透镜 ,将自聚焦透镜体积小的特点与共焦显微技术的轴向高分辨力和绝对位置跟踪特性有机结合 ,具有测头微小型化 ,高的轴向分辨力、较大倾斜表面的瞄准能力、对突跳位置的绝对跟踪能力等特点。选用PZT作为轴向扫描驱动元件 (线性范围± 5 μm ,每个脉冲 2nm进给 ) ,用高精度电容位移传感器作为位置跟踪元件 (线性范围± 5 μm ,分辨力 1nm)。对 2 0°角度块进行测试实验表明 ,在测头直径为 1mm的情况下 ,系统对 2 0°倾斜度以内的斜面轮廓的探测轴向分辨力可达 10nm。     

一种可传输轨道角动量的螺旋光子晶体光纤北大核心

设计了一种基于阿基米德螺线的新型螺旋光子晶体光纤,该光纤以二氧化硅为基底材料,包层由24个螺旋臂组成,每个螺旋臂包含11个小空气孔,纤芯设有大空气孔,包层与纤芯中间的环形区域用于传输轨道角动量模式。该结构在1300~1800 nm波段上可支持22种轨道角动量模式稳定传输,在1550 nm波长下,有效折射率差最高可达2.89×10^(-3),色散系数最低可达66.4 ps/(nm·km),非线性系数最低可达2.17 W^(-1)·km^(-1),且1500~1600 nm波段上的色散值变化均小于15.15 ps/(nm·km)。此螺旋光子晶体光纤不仅结构简单,且具有低非线性、色散平坦的性能,为螺旋光子晶体光纤的设计提供了思路。     

医用光学变焦消色差内窥物镜设计

医用内窥物镜由于空间狭窄,设计难点在于如何进行局部光学变焦并分辨出局部放大人体组织的成像视图,因此物镜要满足低色差、高可靠性、微型化等需求。从分析内窥镜光学变焦存在的技术路线出发,应用阿尔瓦雷斯透镜在内窥物镜中实现光学变焦,这种结构变焦简单、结构稳定、快速且成像可靠。进一步以高斯括号法和像差理论为出发点,发展了基于阿尔瓦雷斯透镜内窥镜物镜消色差变焦光学设计理论。然后依据该理论,推导得到消色差物镜系统光学设计初始值。最后应用光学色差理论求解验证了理论的正确性,为进一步应用阿尔瓦雷斯透镜设计内窥镜提供了光学设计理论基础。     

免偏振敏感消色差超构镜设计研究

超构透镜作为一种灵活调控空间光场相位、振幅及偏振的有效选择,在超分显微成像中受到了广泛的关注。为了提高多波长显微成像的分辨率,解决传统光学系统结构厚重、设计复杂等问题,基于相位补偿理论,运用传输相位法以及粒子群优化算法,设计了一种基于二氧化钛纳米单元柱的反射式消色差超构透镜,在500~550 nm之间实现了恒定聚焦,且该透镜具有偏振不敏感的特性。与数值孔径相同但有色散的超构透镜的对比结果有效证实了该超构透镜的消色差功能。所设计的透镜可应用于多波长显微成像系统中并提高成像的分辨率。此外,该消色差透镜在数码相机和光学仪器等领域中也有较好的应用价值。     

三分离式消热差制冷型中红外物镜的设计

为了满足多种复杂环境的使用需求,红外光学系统需要适应较大的工作温度范围。介绍了一种三分离式消色差消热差制冷型中红外物镜的设计方法。改进了三分离式结构物镜的孔径光阑位置,使物镜实现100%冷光阑效率,同时将这种结构与消热差模型相结合,推导出三分离式消热差物镜的初始光焦度分配关系,并给出透镜材料的组合原则。利用该方法设计了工作波段为3~5 m,焦距为88 mm,相对孔径为1:2的红外物镜,各视场弥散斑半径均小于5 m,调制传递函数MTF达到0.75@17 lp/mm,获得了很好的成像质量。该物镜在-20℃~+70℃温度范围内保持焦距、像面和像质很好的稳定,验证了三分离式消热差光学系统的设计方法。     

低损耗平坦零色散光子晶体光纤的研究

设计了一种波长在800nm处具有低损耗平坦零色散特性的光子晶体光纤结构,应用多极法研究了结构参量空气孔直径d、孔距Λ对色散特性的影响和最外层空气孔直径对损耗的影响。该结构光纤在771～831nm波长范围内色散绝对值小于2ps/(nm.km),800nm处损耗为0.72dB/km。     

外腔半导体激光器动态模稳定性的研究

为了研究调谐过程中外腔半导体激光器的模稳定性,采用多光束干涉理论推导Littrow结构外腔半导体激光器的腔增益,并模拟其模结构。分析了光栅面和转臂不在同一平面的情形下,在光栅转动调谐时,通过匹配光栅的反馈波长变化率与外腔波长变化率,推导出最佳的初始外腔长度,并研究了动态模稳定（无跳模调谐）的范围;采用严格的耦合理论和光线变换矩阵分析了准直（耦合）透镜的位置对系统后向耦合效率的影响。结果表明,系统后向耦合效率最大可达99%,极大地压窄了中心波长为780nm半导体激光器的线宽,外腔半导体激光器的理论线宽为未加外腔时的0.96%,动态模稳定范围可达6.8nm。     

新型色散平坦光子晶体光纤设计与分析

研究了一种新改进的折射率导光光子晶体光纤的色散性能。研究表明当纤芯空气孔的孔径小于包层空气孔孔径时, 光子晶体光纤仍然通过全内反射（TIR）导光。采用全矢量平面波展开法分析光子晶体光纤的色散特性, 并设计了波长为1360 nm到1730 nm时, 色散值在-10±0.5 ps/（nm·km）之间的色散平坦光子晶体光纤, 其色散斜率在波长为1370～1740 nm时可达±0.01 ps/nm2/km。     

基于径向梯度折射率透镜的消色差光学系统的设计

提出了一种基于径向梯度折射率(gradient index, GRIN)的消色差透镜,有效抑制了光学系统的色差效应。首先,利用径向GRIN透镜较低的球差和像差以及更优良的聚焦成像、更高的光学耦合效率的优势,实现了径向GRIN透镜的消色差光学系统的设计,消除了高阶像差。其次,通过对ZEMAX操作数POWR和SPHA的控制,分别对光学系统的光焦度和球差进行了优化设计。最后,推导并建立了径向GRIN透镜消色差光学系统的光焦度和色散模型,进行了径向GRIN透镜与常规胶合透镜的消色差效果对比实验。实验结果表明,径向GRIN透镜可以实现在波长范围486—656 nm良好的消色差功能,且消色差效果明显优于常规胶合透镜。径向GRIN透镜的弥散斑在艾里斑内,镜头聚焦情况良好,像差基本矫正且达到衍射极限,符合消色差透镜的良好成像要求。     

工作波长193纳米投影光刻物镜研究设计

介绍工作波长为193nm的投影光刻物镜研究设计,对波长,数值孔径和分辨力的选择,光学结构型式的确定,以及材料和试制加工工艺的考虑,然后给出一个数值孔径NA＝0．62,光学结构为双远心的投影光刻物镜设计结果。     

宽带色散补偿模块的开发

文章从理论出发设计了一种色散补偿光纤波导结构,并制备出一种高性能的色散补偿光纤.测试结果表明:该色散补偿光纤在1 525～1 625 nm波长范围内具有较大负色散,1 545 nm波长的色散系数为-141 ps/(nm·km).采用该色散补偿光纤成功制备出宽带色散补偿模块.G.652光纤传输链路经过该色散补偿模块的补偿后,C波段的残余色散小于5.0 ps/nm,C波段色散斜率也实现了100%的补偿.     

梳状色散光纤中自相似脉冲传输的数值研究

从脉冲在光纤中传输所满足的非线性薛定谔方程出发,以双曲渐减的正常色散渐减光纤(ND-DDF)获得线性啁啾自相似脉冲为基础,采用窗口为1550nm的色散光纤构成梳状色散光纤(CDPF),并给出了相应的理论模型,利用该模型,通过数值模拟的方法研究和分析了脉冲在接近于色散渐减光纤的色散变化趋势的梳状色散光纤中演化成自相似脉冲以及其自相似指数变化.结果表明,中心波长为1550nm的双曲正割脉冲在不同初始能量和不同初始脉冲宽度的情况下,梳状色散光纤可以产生抛物线型自相似脉冲且具有很好的线性啁啾特性.     

可编程波长选择与扫描全光纤行波环形腔激光器

利用可编程控制装置对光纤光栅的中心波长进行了线性调谐,在此基础上实现了可控波长行波环形腔激光器的运转,波长线性调谐范围可达5．9nm。通过精确控制,波长选择的复现性可达5．13×10-3nm,在检测仪器的精度范围内,波长调谐的线性度达R2=0.999,波长选择间限为0．156nm。     

光子晶体光纤的色散特性分析

为了探讨靠近纤芯区域的第1层、第2层和第3层空气孔的直径对光子晶体光纤色散特性的影响,采用有限元法进行了理论分析。结果表明,适当调节第1层、第2层和第3层空气孔的直径,可以使零色散点在1100nm～1800nm之间的任何位置上移动。还可以设计在1270nm～1800nm较宽的波长范围内接近零色散的色散平坦光子晶体光纤。这一结果对光子晶体光纤的设计具有重要的作用。     

基于半嵌入结构的超透镜共聚焦特性

设计了一种1∶1比例的半嵌入全介质超透镜，该透镜能够实现不同窄波段的共聚焦特性。采用时域有限差分法对不同高度和晶格常数下纳米单元的相移进行了数值分析。基于惠更斯-菲涅耳原理，构建了1环(半径为7.7μm)和3环(半径为13.5μm)的超透镜，并对比分析了它们的聚焦特性。在3环设计下，当波长为600 nm、线偏振光时，超透镜的焦距离设计目标偏差约为2.2%,焦点半高全宽为1.1μm,聚焦效率达到68.28%。此外，还对650～490 nm波段内的超透镜色散进行了分析，并得到了650～550 nm波段内100 nm带宽和550～490 nm波段内60 nm带宽的恒定共聚焦焦点，这是由于焦深的存在所导致的。所设计的超透镜结构具有偏振不敏感、亚衍射极限聚焦、变焦和窄波段共聚焦的特性，在超分辨率、光路复用、彩色成像等领域具有潜在的应用价值。