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。     

彩色赝无衍射光束及其实现

无衍射光束自1987年被提出以来，因其具有主光斑尺寸小，强度高，方向性好，在传播过程中不出现衍射扩散等特点，有着十分诱人的应用前景，因而国际上迅速掀起了无衍射光束研究的热潮，有许多有意义的结果已见报道．赝无衍射光束是新近提出的概念，它是这样的一类光束，即在给定的范围内，其核截面为窄光束状分布，但其轴向光强却保持恒定．赝无衍射光束既可由轴锥镜在轴向产生单段的光强恒定的衍射分布，又可由其他的光学元件产生轴向多段的恒定光强的衍射分布，其中相邻的两段被一暗区隔开．在某些实际应用中，人们往往并不介意光波在传播…     

基于轴锥镜大景深成像系统的研究

增大光学系统的景深已成为一项有意义的研究主题.根据轴锥镜的线焦特性,阐述了基于轴锥镜的大景深成像系统的基本原理.简单讨论了点光源在透镜前不同位置时系统点扩散函数的形式,并分析出其形状随点光源距透镜距离的改变而变化.利用无衍射光束的形成条件,推导出系统景深的计算公式.对于由半径为15mm,锥角为 0.01rad的轴锥镜和焦距为 125mm的透镜组成的成像系统,其焦深可达336mm.实验结果表明用轴锥镜能增大光学系统的景深.     

曲面复眼中对数型锥透镜成像特性研究

提出利用对数型锥透镜的焦线特性解决球面复眼系统成像过程中球透镜离焦问题.设计锥透镜焦深范围满足复眼系统各个子眼通道成像.通过仿真分析,研究了对数型锥透镜的轴上与离轴成像特性;利用金刚石切削技术和翻模技术实现该锥透镜的批量制造.实验检测结果表明,锥透镜焦线范围内轴上成像光斑直径保持一致;离轴成像时产生的十字光斑,可以通过提取交叉点,确定复眼系统子眼通道离轴成像光斑中心位置.该设计方案可用于消除球透镜固有离焦发散现象,提高复眼中各子眼对其视场内各方向光线成像光斑中心的定位精度,有效改善复眼成像质量.     

用于高功率径向偏振光的组合轴锥镜设计

为了提升激光器径向偏振光的输出功率,改进了原有W形轴锥镜内锥角为90°的结构。为研究光束在轴锥尾镜单元的传输特性,采用几何光学分析了轴向入射下、W形轴锥镜底角为90°时,内锥角的改变对出射光的影响,发现出射光的位置及方向不发生变化;为研究轴锥镜的热畸变特性,模拟了W形轴锥镜的温度形变,可知内锥角变大时整体温度变小且分布更加均匀。结果表明,随着内锥角的变大,光束中心的光程减少量相对于光束边沿的光程减少量增大;采用Fox-Li数值迭代法模拟了引入上述形变后谐振腔的激光模式,得出在内锥角为100°时温度形变对光束模式的影响最小。通过对W形轴锥镜温度形变的研究,可为优化W形轴锥镜的设计提供参考。     

轴锥镜对无衍射成像系统景深的影响

在介绍轴锥镜线焦特性的基础上,分析了轴锥镜对成像系统景深的影响.根据轴锥镜镜的线焦特性,阐述了基于轴锥镜的大景深成像系统的基本原理,并设计了两步成像的大景深成像系统.通过对该系统点扩散函数和景深的分析,发现可以通过改变轴锥镜的角度来实现不同景深的成像系统.对轴锥镜夹角分别为θ1＝0.01和θ2＝0.25的两个成像系统,其景深分别为D1＝323.59 mm,D2＝122 mm.实验结果表明轴锥镜能增大光学系统的景深,夹角越大景深范围越小.     

无衍射光的大焦深成像系统及图像复原

提出了一种光学、数字图像处理技术相结合的可扩大光学系统焦深的新型成像技术.利用轴锥镜产生无衍射光,无衍射光束具有中心光斑直径小且传播距离远的特性,将无衍射光理论与技术应用到成像系统中可加大焦深且无需调焦.介绍了大焦深成像系统的基本原理,分析了系统的焦深,建立了大焦深成像系统实验模型,并用图像复原方法对实验图像进行了较好的恢复.实验结果证明采用无衍射光与图像处理技术相结合增大成像系统焦深的方法能使成像系统在较大的范围内有较好的成像质量.     

非相干叠加激光发射系统光学设计

介绍了一种适用于三束激光非相干叠加聚焦的新型激光发射光学系统,工作波长1 080 nm,全视场角0.6。系统为离轴两镜反射结构,对三束紧密排列的激光光束进行扩束聚焦,系统主镜为口径303 mm的椭球面反射镜,系统像质接近衍射极限,并且可以通过控制次镜轴向位置调焦适应不同目标距离。计算了叠加后的激光光斑的功率密度分布和环围功率曲线,设计在目标距离1 000 m时叠加光斑半径9 mm内的环围功率大于95%,此激光发射系统结构简单,长径比小,聚焦质量满足使用需求,激光光斑能量得到有效叠加。     

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。     

涡旋光束经过轴棱锥后的聚焦特性

研究了涡旋光束通过轴棱锥聚焦后的聚焦特性。利用惠更斯-菲涅耳衍射积分理论推导了涡旋光束经过轴棱锥聚焦后所获得的聚焦光强分布。数值模拟结果表明,涡旋光束经过轴棱锥聚焦后可获得高阶贝塞尔光束。研究了不同锥角的轴棱锥对涡旋光束聚焦特性的影响以及不同拓扑电荷数对聚焦特性的影响。结果表明,在轴棱锥对应的最大准直距离内,所获得的高阶贝塞尔光束保持了原有的无衍射特性。     

离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输分析

研究高斯光束经螺旋相位板和轴棱锥产生高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的离轴传输情况,对于离轴高阶贝塞尔-高斯光束的成因、 光强分布操控、光斑定位等实际应用具有一定的理论指导意义。利用菲涅尔衍射积分的卷积算法(Triple fast Fourier transform, T-FFT)对离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束进行仿真分析,着重研究了螺旋相位板和轴棱锥的错位参数、拓扑荷数 以及传输距离等参数对光束带来的影响。分析表明:离轴高阶贝塞尔-高斯光束具有不均匀的光强分布,由于轴棱锥的偏移, 光束会整体发生偏移,传输不同距离光强不均匀分布情况不同,不同的拓扑荷数只影响光斑的扩展,螺旋相位板和轴棱锥离 轴参量值的多种组合会导致多种不同的光强分布情况,甚至出现暗核偏移。     

产生周期性局域空心光束的新型轴棱锥

周期性局域空心光束是一种在科研上具有较高实用价值的光束。介绍了一种用于产生周期性局域空心光束的新型轴棱锥结构,可以通过在正轴棱锥底部磨削一个与本体同轴,但是底角和尺寸都较小的内凹圆锥面制成。采用几何光学的理论对新型光学元件的光束变换特性进行分析,结果表明其可以等效为两个不同底角的正轴棱锥的组合,并对周期性局域空心光束的相关参数进行计算。用衍射积分理论分析和模拟了新型轴棱锥后的光强分布特性,所得分析结果与几何光学分析基本一致。研究表明,平面波正面入射新型轴棱锥可以产生周期性局域空心光束。     

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.     

轴棱锥椭圆加工误差产生畸变无衍射光束的修正

轴棱锥的斜入射和加工误差对产生零阶贝塞耳光的光束质量有很大影响,而轴棱锥的加工误差常常是轴棱锥圆形横截面被加工成椭圆.由衍射理论和几何光学方法出发,分析了圆轴棱锥的斜入射和椭圆轴棱锥的正入射对产生贝塞耳光束质量影响的等价性.根据理论计算,模拟了圆轴棱锥的斜入射和椭圆轴棱锥加工误差的衍射光斑图.提出利用轴棱锥旋转法修正椭圆轴棱锥对无衍射贝塞耳光束质量的影响,获得了近似理想的贝塞耳光束,理论分析与模拟和实验结果基本相符.     

增大Bessel光束无衍射距离的凹透镜系统

根据传统轴棱锥法产生Bessel光束的原理和凹透镜的几何光学效应,设计并模拟了一套提高Bessel光无衍射距离的光学系统。利用凹透镜的发散特性,将其分别放置在轴棱锥的前方与后方,使用Math CAD软件进行模拟并与传统轴棱锥法进行比较,得出结论:在轴棱锥前方放置凹透镜使Bessel光的无衍射距离从244 mm增大至638 mm,同时增大中心光斑半径。在轴棱锥后方放置凹透镜使Bessel光的无衍射距离从244 mm增大至406 mm。使用He-Ne激光作为光源进行实验验证,实验结果与理论分析及仿真模拟基本一致。可根据实际要求选择凹透镜的曲率半径和位置,得到无衍射距离较大、质量较高的Bessel光束。     

云雨滴边界衍射的理论推导及数值模拟

为了研究云和降水的微物理特性,根据杨氏边界衍射理论,结合MATHEMATICA和MATLAB两种数学软件,采取理论推导和数值模拟的方法,针对球形和椭球形云雨滴建立了在夫琅和费近似条件下,光轴上的单色点光源照射情况以及单色平行光照射情况的边沿衍射场分布;对单色平行光照射下云雨滴的边沿衍射进行了数值摸拟;并针对边沿衍射在雨...     

轴棱锥非圆对称加工误差对贝塞耳光束质量的影响

在惠更斯-菲涅耳衍射积分理论和稳相法的基础上,分析了轴棱锥非圆对称加工误差对其所产生的零阶贝塞耳光束(J0光束)质量的影响,对CCD拍摄的贝塞耳光斑图样进行了数值模拟。计算结果指出,当轴棱锥的截面为圆对称的理想加工时,轴棱锥产生的光场分布为近似理想的零阶贝塞耳光。当存在非圆对称加工误差,且截面为椭圆形时,衍射光斑将偏离J0光.随着椭圆半长短轴之差的增大,偏离程度增大。实验结果和理论模拟吻合得很好。     

微小孔近场衍射光强的空间分布及仿真

阐述了微小孔近场衍射的基本理论。重点对单色光垂直入射时圆孔衍射场的光强空间分布进行了计算机数值模拟。通过对不同半径圆孔的衍射场光强进行仿真,分析得到了衍射场光强的空间分布特性。对接近式曝光技术参数的设定具有理论指导意义。     

Optical lithography: The implications of the electromagnetic field theory

Optical projection lithography and the contact printing of a half plane are treated, based on the electromagnetic diffraction theory. Integral representations are given for the time-average electric-energy density distribution of the projected edges which are illuminated by a linearly polarized monochromatic wave or by a quasi-monochromatic incoherent beam. The image space is either homogeneous or a perfectly conducting screen is inserted normal to the optical axis. Contact printing is treated in terms of rigorous electromagnetic-field theory, by which the electromagnetic-field distribution is derived in a stratified substrate, each layer of which may have an arbitrary refraction index. Numerical results for boil contact printing and projection are given for edges which are illuminated by coherent beams with the polarization either normal or along the edge. In addition, the distribution due to the projection of an incoherent edge is given. The distributions obtained through contact printing are presented in the resist layer, Which is applied directly on the aluminum substrate or on an amorphous silicon antireflection coating as the intermediate stratum. The ultimate positive and negative resist patterns are systematically compared.     

波面偏心对共轴透镜axicon衍射图的影响

应用衍射理论推导出了入射波偏心情况下的衍射圈计算公式。模拟的数值计算的结果与实验一致。同时讨论了偏心后衍射图变化的各种特性，并导出了偏心限制量计算公式。